柔性電子器件能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)多種生物物理信號(hào)（例如心率、血壓、體溫）和生化信號(hào)（例如體液中的離子和代謝物）。先進(jìn)材料的研發(fā)促進(jìn)了柔性電子器件的發(fā)展，包括導(dǎo)電聚合物、納米材料、水凝膠、液態(tài)金屬、有機(jī)半導(dǎo)體。

由上述材料構(gòu)建的柔性電子器件減輕了與生物組織之間界面的機(jī)械不匹配，從而擴(kuò)展了模態(tài)并提高了傳感的保真度。然而，柔軟的特性使其難以與傳統(tǒng)電子器件連接。近年來(lái)，研究人員提出了各種方法，包括聚合物/金屬納米結(jié)構(gòu)、可拉伸各向異性導(dǎo)電薄膜，以及機(jī)械互鎖微橋結(jié)構(gòu)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的無(wú)焊快速互連，但這些互連是不可逆的，導(dǎo)致柔性電子器件的功能、靈敏度、空間分布等特征固定，缺乏可重構(gòu)性。

為了解決上述問(wèn)題，北京大學(xué)韓夢(mèng)迪課題組開(kāi)發(fā)了磁性導(dǎo)電復(fù)合材料（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite，HMGN）來(lái)構(gòu)建可重構(gòu)柔性電子。HMGN結(jié)合了多孔導(dǎo)電材料和硬磁材料的優(yōu)點(diǎn)：一方面，通過(guò)多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和磁疇的協(xié)同效應(yīng)改善了對(duì)電生理信號(hào)、物理信號(hào)和電化學(xué)信號(hào)的感知；另一方面，硬磁特性使得基于HMGN的器件可以通過(guò)通用、可逆和自對(duì)準(zhǔn)的接口與其他電子元件連接，而無(wú)需加熱或按壓。HMGN傳感器對(duì)物理和生化信號(hào)進(jìn)行連續(xù)、多模態(tài)和可定制測(cè)量，在幫助痛風(fēng)、癲癇和高血壓等許多人類(lèi)疾病的診斷和治療方面顯示出了很大的潛力。

該成果發(fā)表在Advanced Materials，題為“Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics”。北京大學(xué)博士生項(xiàng)澤華為論文第一作者，北京大學(xué)韓夢(mèng)迪為論文通訊作者。

HMGN的制備與表征

該可重構(gòu)柔性電子器件包括各種傳感模塊和襯底，均基于HMGN。制備HMGN的工藝流程包括激光誘導(dǎo)石墨烯，釹鐵硼/聚二甲基硅氧烷混合物剝離轉(zhuǎn)移和后續(xù)磁化。釹鐵硼顆粒滲透到多孔結(jié)構(gòu)中形成磁性導(dǎo)電復(fù)合材料，并展示出了優(yōu)異的機(jī)電性能以及磁性和生物兼容性。

圖1: HMGN的制備與表征

HMGN用于增強(qiáng)的多模態(tài)傳感

摻雜的磁顆粒和磁疇協(xié)同調(diào)節(jié)傳感過(guò)程，從而增強(qiáng)傳感性能，包括伏安法電化學(xué)傳感，電生理傳感以及溫度傳感。對(duì)于伏安電化學(xué)傳感，磁性粒子通過(guò)磁流體動(dòng)力和微磁流體動(dòng)力作用，在極小尺度上施加洛倫茲力誘導(dǎo)對(duì)流，促進(jìn)快速的氧化還原反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移。對(duì)于電生理傳感，摻雜NdFeB顆粒增強(qiáng)了復(fù)合材料的親水性，減少氣隙和增強(qiáng)表面潤(rùn)濕，從而降低界面阻抗。對(duì)于溫度傳感，磁性顆粒內(nèi)部電子的熱運(yùn)動(dòng)以及磁疇的熱運(yùn)動(dòng)協(xié)同作用增強(qiáng)靈敏度。

圖2: HMGN用于增強(qiáng)的多模態(tài)傳感

HMGN用于可逆、自對(duì)準(zhǔn)的電學(xué)連接

有序的磁疇允許HMGN傳感器自組裝到具有磁性和導(dǎo)電互連的HMGN襯底上或從襯底上分離。傳感器和襯底中的磁顆粒呈相反極性相互吸引，形成從傳感器N極到襯底S極的連續(xù)導(dǎo)電路徑。HMGN傳感器和襯底的磁性吸引力在界面處形成了無(wú)縫連接。界面的電流-電壓曲線呈線性關(guān)系，表明其歐姆接觸。與其他互連技術(shù)(如導(dǎo)線粘合和導(dǎo)電膠)相比，由磁吸形成的互連是可逆的和自對(duì)準(zhǔn)的，不需要外部壓力或加熱。

圖3: HMGN用于可逆、自對(duì)準(zhǔn)的電學(xué)連接

基于HMGN的可重構(gòu)柔性電子

對(duì)健康人體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量了心電圖、皮膚阻抗、皮膚溫度以及汗液中離子和代謝物的濃度，展示了基于HMGN的柔性電子器件的多模態(tài)可重構(gòu)，包括可重構(gòu)的靈敏度、空間分布和傳感模態(tài)。

圖4: 基于HMGN的可重構(gòu)柔性電子

未來(lái)展望

HMGN可以實(shí)現(xiàn)柔性電子的重構(gòu)，用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，在協(xié)助診斷和治療許多人類(lèi)疾病方面具有潛力。進(jìn)一步的發(fā)展包括擴(kuò)展HMGN的傳感模態(tài)，以針對(duì)更多樣化的物理和生化條件；改進(jìn)自對(duì)準(zhǔn)互連，以協(xié)助在大范圍內(nèi)組裝小型設(shè)備；以及開(kāi)發(fā)完全集成的可重構(gòu)柔性電子，包括前端傳感模塊和后端電路模塊。

審核編輯：劉清