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Nature：鲍哲南团队柔性电子器件领域的年度力作
提到斯坦福大学的鲍哲南（Zhenan Bao）教授，自然就会想到这位著名材料科学家所获得的一系列荣誉。2015年，她因“能传导触觉的人工皮肤”相关工作（点击阅读相关），入选Nature评选的十大年度人物。2016年2月，因在柔性电子器件的有机半导体材料领域的贡献，当选美国工程院院士；不久前，还获得了第十九届欧莱雅—联合国教科文组织“世界杰出女科学家成就奖”（点击阅读相关）。鲍哲南教授1970年出生于中国南京；1987年考取南京大学，进入化学系学习；1995年，在芝加哥大学化学系取得博士学位，随后进入贝尔实验室踏上了独立科研道路；从2004年起，加入美国斯坦福大学，致力于化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学等领域的研究。其实早在2000年，鲍哲南教授刚独立工作没多久，就已经凭借“基于有机材料的大面积集成电路”相关工作入选当年的Science杂志“十大年度科技突破”[1]。在众多从事材料科学研究的后辈眼中，她可以说是一位不折不扣的“学术女神”。
鲍哲南教授（中）和团队成员。图片来源：Stanford University
柔性电子器件为什么重要？生物体往往柔软、有弹性、可愈合（比如你的手），而现在的电子设备往往坚硬、弹性小、不可愈合（比如你的手机），如果能改进电子设备的材料，使之具有生物体材料的柔性和自愈能力，那么科学家们就能设计更好的可穿戴设备、生物相容性更好的可植入医学材料和医学电子器件、更强大的机器人等等。今年早些时候，鲍哲南教授与母校南京大学等单位合作在Nature Chemistry报道了一种新的高弹性自修复弹性体材料，包含Fe(III)配位络合物交联的聚（二甲基硅氧烷）链的网状结构，具有高可拉伸性、高介电强度、自主自我修复和机械致动等性能，向着制造智能化人造肌肉迈出了重要一步（点击阅读相关）。
高弹性自修复弹性体材料。图片来源：南京大学
近日，鲍哲南团队在柔性电子器件领域又取得了新进展，在Nature报道了一种基于非共价键合机制的可拉伸可自愈的高性能有机半导体，这种材料可用于制造可拉伸的有机薄膜场效应晶体管（OTFT），有了这种基本电子元件，科学家们就可以设计新一代的柔性电子器件，例如可穿戴电子设备。
鲍哲南团队基于改性刚性共轭聚合物侧链和分段骨干加入柔韧的分子结构单元来赋予半导体柔性的设计理念，通过在不降低聚合物整体导电性的前提下，替换掉聚合物中部分刚性结晶性结构单元（二酮吡咯并吡咯，DPP），同时在其侧链引入一种柔顺性好且能够较易形成氢键的弹性结构单元，从而制备了一种具有可拉伸、可自愈的弹性半导体。这一研究成果完全不同于以往基于材料体系应变调节或是弹性体内加入纳米线或纳米纤维的策略，使得这种弹性半导体可以用标准方法来制备。
高分子OTFT器件的设计及其性能表征。图片来源：Nature
由于聚合物体系中引入的柔性侧链能够使体系内产生动态非共价键交联，当体系受到大应变拉伸时，可通过非共价交联部分的可逆键断裂实现能量耗散，从而赋予这种新型弹性半导体优异的可拉伸性能（柔性）。在100%的应变下仍然能够保持较好的导电性能，场效应迁移率维持在1.12 cm2V−1s−1。同时，基于非共价键的可逆键断裂，当该弹性半导体体系出现裂纹时，通过简单的溶剂蒸汽和加热处理，该体系即可实现自愈合，性能可几乎完全恢复。
高分子半导体的制备过程及其可拉伸性能、自愈合特性。图片来源：Nature
研究团队进一步使用该聚合物制造出可穿戴弹性晶体管电子器件，该器件展现出了优异的场效应迁移率、可拉伸性和自愈合性，能够承受各种极端的人类运动（例如折叠、扭曲和拉伸）。目前该团队正在尝试将这种弹性高分子半导体材料与传感器研究结合起来。
弹性高分子半导体应用于可穿戴柔性电子器件。图片来源：Nature
伊利诺伊大学材料科学家John Rogers评价道，“该半导体体系完美的实现了高弹性和高效电荷传输的有效结合”。同期的Nature杂志也刊登了一篇题为“Semiconductors that stretch and heal”的评论文章，对这一成果做出了高度评价，称其为“a milestone in the search for electronic skins that behave much like their archetype”[2]。
—— 总结 ——
作为可穿戴柔性电子器件，其所有的组成部分必须兼具优异的机械强度和足够的柔韧性，以保证其性能满足人类的各种运动需求。该领域的创新往往是从大自然获取的灵感。在自然界，构成生物体的软体物质赋予了生物体优异的伸展能力和自愈合能力。鲍哲南教授研究团队通过刚性共轭主链（保证体系导电性和机械强度）和柔性侧链（保证体系柔性和自愈合性）相结合的研究思路，设计并合成了具有可拉伸、自愈合性质的半导体。这无疑是柔性半导体材料及器件领域的巨大突破，同时，也为其他柔性电子器件的设计提供了重要的借鉴。
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Intrinsically stretchable and healable semiconducting polymer for organic transistors
Nature, 2016, 539, 411-415, DOI: 10.1038/nature20102
参考文献
1. Science, 2000, 290, 2221-2225, DOI: 10.1126/science.290.5500.2221
2. Nature, 2016, 539, 365-367, DOI: 10.1038/539365a
（本文由甲子湖供稿）