Textured Si Wafer-Assisted Fabrication of Stretchable Platinum Nanotube Network Electrodes for Flexible Piezoelectric Devices
本研究提出了一种通过纹理化硅片辅助制造可拉伸铂纳米管网络电极的方法，该方法克服了传统金属薄膜的机械限制，在高达100%的应变下仍能保持导电性，并使高性能柔性压电器件成为可能。
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想象一个电子设备可以随人体弯曲、拉伸和扭转的世界，为可穿戴传感器提供动力或从运动中收集能量。为了让这些软体机器发挥作用，它们需要与附着的材料一样灵活的电气连接。问题在于，传统的金属导线和薄膜是刚性的；当拉伸覆盖着一层薄金属的橡胶状表面时，金属会产生裂纹并断裂，从而切断电流。科学家们长期以来一直在寻求一种方法，使金属既具有足够的导电性以传输信号，又具有足够的柔韧性，能在被拉伸和弯曲时而不失效。
首尔科技大学的研究人员开发出一种制造这种可拉伸金属网络的新方法，该方法利用了一个巧妙的技巧，涉及纹理化的硅表面以及一个将固体金属转化为中空管状结构的过程。研究人员并没有铺设一层平坦的铂金层（一种以稳定性和导电性著称的金属），而是构建了一个由微小中空铂管组成的网状结构。这种结构就像是一个电力的安全网：即使当材料被拉伸至原始长度的两倍时，管状网络也可以相互弯曲和滑动以保持电流流动，而实心薄片则会直接断裂。
这一解决方案的旅程始于一个简单的问题：如何给纤维涂上金属，使金属形成一个完整的、中空的管状结构，而不是仅仅形成一根实心棒或一层斑驳的涂层？团队首先将一种名为聚乙烯吡咯烷酮的常见塑料溶液纺成极细纤维的垫层。他们并不是在平面上进行这项操作，而是在一块经过微纹理处理的硅晶圆上进行的。这个粗糙的表面至关重要，因为它使塑料纤维不会紧贴地面，从而在下方留出间隙。当研究人员将铂原子喷洒到这些纤维上时，纹理化表面使得金属能够包裹住纤维的所有侧面，包括底部，从而在塑料核心周围形成一个完整的壳层。
一旦纤维被涂覆完成，团队便对材料进行了高温加热。这一步骤烧掉了塑料核心，留下了精细且相互连接的中空铂管网络。结果是一种具有惊人强度和柔韧性的导电网格。为了测试其极限，研究人员将这种铂金网络嵌入一种被称为聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔软类橡胶材料中。他们将这种新型电极与通过简单向同一橡胶上喷涂金属制成的标准平坦铂金薄膜进行了对比。两者的性能差异巨大。当平坦薄膜被弯曲或拉伸时，它几乎立即出现裂纹，失去了导电能力。相比之下，铂管网络即使在拉伸至原始长度的100%时（即体积增加一倍）仍能保持完整并具有导电性，没有破坏电路。
研究人员还观察了这些材料在反复弯曲后表面的变化情况。平坦的金属薄膜产生了深层的裂纹，撕裂了表面，而管状网络只是发生了位移和重排，从而保持了其形状和功能。这种韧性使团队能够制造出一个工作的装置：一个在受压时产生电能的柔性能量收集器。通过将一种在变形时产生电荷的压电材料夹在两个这种可拉伸铂电极之间，他们创造出了一个能够输出小额但稳定电流的装置。当以每秒三次的频率施加25牛顿的压力时，该装置产生了约40纳安的电流。
这项工作表明，材料的架构与材料本身同样重要。通过使用纹理化表面来引导中空金属管的形成，研究人员创建了一种能够承受柔性电子设备严苛机械需求的电极。铂金网络证明了其能够通过反复弯曲和极端拉伸来维持稳定的电气连接，其表现优于在类似压力下失效的传统金属薄膜。虽然能量收集器的输出功率较小，但该电极的成功表明，在构建能够随我们移动而不丢失动力的柔性、耐用电子设备方面，存在一条可行的路径。
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