华人女科学家再获殊荣!成为首位ACS Central Science颠覆者与创新奖者奖获得者

华人女科学家再获殊荣!成为首位ACS Central Science颠覆者与创新奖者奖获得者

2019年9月,美国化学会出版社宣布设立”ACS Central Science颠覆者与创新者奖”(ACS Central Science Disruptors Innovators Prize),以表彰具有广泛意义且能推动领域变革、范式转型和核心科学发展的科学突破。”ACS Central Science颠覆者与创新者奖”将由评选委员会每两年评选一次。斯坦福大学的鲍哲南教授成为首位”ACS Central Science颠覆者与创新者奖”获得者,该奖项强调具有广泛相关性的范式转变的科学突破。作为一名化学工程师,鲍哲南因其“在导电聚合物分子设计及其应用领域的广泛性和颠覆性研究,以及在人造电子皮肤和其他生物电子器件的开发方面的突出进展”而获得该奖项。她在这一领域的工作包括开发可拉伸电路、柔性电池和连接医用植入物与生物组织的材料。这些可拉伸电子器件使她能够制造出与活体组织相连的装置。这种电子皮肤还可以用于人体假肢和机器人。

鲍哲南本科时从中国移民到美国,在获得博士学位后的第一年在贝尔实验室从事柔性显示器的研究。她于2004年加入斯坦福大学任教。附Neil Savage对鲍哲南教授的专访,谈论了她在电子皮肤上的工作以及所涉及的一些内容。

你们团队工作的动力是什么?

我们正在努力改变电子器件的未来。今天的电子产品都是硬而易碎的。我们设想在未来,电子器件将与我们的穿戴衣物、附着体外或植入体内的东西融合在一起。作为一名化学家,我对于能够理解新一代电子产品的分子设计而感到非常兴奋。

你是如何开始关注电子皮肤的?

20年前,当我开始在贝尔实验室工作时,我的梦想是制作可折叠显示器。搬到斯坦福后,我就想做一些更深入的研究。一位机械工程的同事当时正在制造一种能爬墙的蟑螂机器人。但是蟑螂一爬到墙头就会倒下,因为它没有感觉反馈。就在那时,我对能够感知触觉的传感器产生了兴趣。我认为那将是一个很好的切入口,不仅能实现柔性电子技术的应用,还能向生物系统学习。

我们团队开始模仿人类皮肤的触感,并思考人类皮肤的所有特性,比如延展性,生物降解性和自愈性。所以我们决定以人体皮肤为灵感定义将要设计和制造的电子器件的属性和功能。

如何制备电子皮肤?

我们使用的是以聚合物为基础的电子材料,因为通过设计,它们可以拥有所有这些类似皮肤的特性。为了使聚合物能够有效地传输电子或空穴,传统观点认为它们需要具有刚性的晶体结构。然而,对可拉伸电子器件而言,则需要将大量非晶域和少量晶域混合。因此,我们必须想出设计半导体的新方法,以保证半导体的一种特性不受另一种特性的影响,也就是在保持高电荷载流子迁移率的同时,还能将材料的长度可逆地延长至少两倍。

如何制造出具有所需特性的半导体?

我们引入了在聚合物半导体中加入动态化学键的概念。这些动态键可以是弱氢键或弱金属配位键。它们在应力作用下很容易断裂,而在应力消除后又会重新连接。如果聚合物拉伸时共价键断裂,它们在室温下就不能轻易重新连接,因此材料就会发生永久性损伤。但如果动态键在拉伸过程中被破坏,它们就提供了一个消耗机械能的场所,而不会破坏共价键。最后,当应力消除后,聚合物能够回到原来的状态,这些动态键也可以重新连接。其他研究也曾使用过动态键,我们面临的挑战是在引入动态键的同时设计出能够提供良好电荷传输的分子。

我们还发现,将半导体聚合物薄膜制成纳米结构时,其延展性比本体聚合物强得多。因此,我们选择了几种合适的聚合物制备成半导体聚合物纳米纤维。目前,我们已经将许多原本脆弱的聚合物变成可拉伸、高性能的半导体聚合物。

设计一个电路,还需要介电层、导电材料,并且所有这些元件都得是可拉伸的。因此,我们需要开发这些材料,在不影响电子性能的前提下再添加新的功能。此外,我们还需要开发一种制板工艺,为每种类型的材料制作贴片,这样就可以构建电路。现在我们一次可以制造成千上万个晶体管,制备的功能电路板里面有几十个晶体管。

电子皮肤真的能重塑触觉吗?

触觉是通过几种类型的机械感受器的信号组合产生的。我们试图使电子皮肤传感器的输出类似于皮肤机械感受器所产生的输出,感知压力、应力或剪切力,并通过电路将这些信号转换成电脉冲。脉冲电信号基本就是生物机械感受器产生的信号。我们希望电子皮肤能在电脉冲刺激神经时产生触感。但这些还有待测试,现在我们制造的电子皮肤传感器的数量和信号处理能力还无法与人类皮肤的复杂性相匹配。我们希望将许多不同类型的传感器集成到电子皮肤上,产生类似神经的信号。

我们的愿景是最终制造出与生命系统直接通讯的电子器件。帮助带假肢的人重获触觉,这是十分有意义的。

这种电子皮肤的未来有多远?

这需要长期的发展,但从短期来看,我们开发的传感器已经发展成无创的、可持续监测的可穿戴设备。例如,利用血压监测设备成立了一个附属公司(PyrAmes)。我们正在开发其他可穿戴传感器,通过监测汗液或唾液中的化学物质感知人的压力水平。这些与电路相结合的传感器可能在未来被用作机器人皮肤,使机器人能够安全地与人类合作。

 

原文链接:

https://cen.acs.org/materials/electronic-materials/Zhenan-Bao-makes-stretchable-electronics/98/i32

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