Nature Nanotechnology：无线供电、600%应变稳定电导，多孔纳米材料电子设备

第一作者：Yadong Xu, Zhilu Ye, Ganggang Zhao

通讯作者：闫政、高伟、Pai-Yen Chen

通讯单位：密苏里大学哥伦比亚分校、加州理工学院、伊利诺伊大学芝加哥分校

论文速览

在可穿戴设备、生物医学植入物和软体机器人中实现可伸展生物电子的全部潜力，需要具有本征柔软性、高导电性和应变弹性的导电弹性复合材料。然而，现有的复合材料通常由于应变下导电路径的中断而牺牲了电气耐久性和性能，并且严重依赖于高含量的导电填料。

在这里，研究团队提出了一种原位相分离方法，促进了微尺度银纳米线组装，并在孔隙表面创建了自组织的导电网络。所得的纳米复合材料具有高导电性、应变不敏感性和耐疲劳性，同时最小化了填料的使用。它们的韧性源于多尺度多孔聚合物基质，该基质可以分散应力，并且刚性的导电填料能够适应应变引起的几何变化。

值得注意的是，多孔微观结构的存在将导电（或渗透）阈值降低了48倍，并且即使在超过600%的应变下也能抑制电性能退化。

理论计算得出的结果与实验发现在数量上一致。通过将这些纳米复合材料与近场通信技术配对，作者展示了适用于皮肤界面和植入式生物电子的可伸展无线功率和数据传输解决方案。这些系统实现了无需电池的无线供电和传感，即使在50%的应变下，性能变化也不超过10%。

图文导读

图1：相分离过程的示意图和制备方法，以及多孔和非多孔Ag NW纳米复合材料在原始和拉伸状态下的比较。还包括了聚合物、溶剂和非溶剂的等温三元相图，以及对纳米复合材料在不同应变下电阻变化的数值计算。

图2：通过扫描电镜图像展示了不同Ag NW浓度下PSPN的微观结构，以及PSPN和非多孔复合材料的电导率与Ag NW体积分数的关系。还包括在拉伸前后PSPN的微观结构变化，以及不同应变下相对电阻变化的比较。

图3：可伸展无线功率传输系统（WPT）的两端口网络模型和磁场分布，以及在50%应变下多孔和非多孔纳米复合材料的磁场分布模拟。

图4：展示了用于可穿戴和植入式生物电子的可伸展无线供电系统，包括理论评估、耦合系数、传输效率以及在活体动物中的植入式WPT系统演示。

图5：用于多重生化传感的全可伸展无线生物电子系统，包括无线生化传感平台的设计原理、无线监测不同离子的反射系数和频率变化，以及在身体活动过程中的实时监测。

总结展望

本研究开发的基于相分离技术的多孔纳米复合材料，通过在聚合物基质中形成自组织的银纳米线导电网络，实现了超低的导电阈值和优异的应变不敏感性。该材料在超过600%的应变下仍能保持电性能稳定，展示了其在可穿戴和植入式生物电子设备中的潜在应用。

此外，通过与近场通信技术的结合，研究团队展示了无线功率传输和数据传感的可能性，为未来的个性化医疗保健和人机交互界面提供了新的思路。未来的研究可以探索新的制造技术，如增材制造，以实现该技术的规模化生产，并进一步开发基于NFC的无线生物电子设备，以满足更广泛的医疗保健需求。

文献信息

标题：Phase-separated porous nanocomposite with ultralow percolation threshold for wireless bioelectronics

期刊：Nature Nanotechnology

DOI：10.1038/s41565-024-01658-6