通訊作者：段鑲鋒(Xiangfeng Duan)，黃昱(Yu Huang)通過構(gòu)筑為薄片結(jié)構(gòu)，剛性材料能夠變得具有柔性，但是這種剛性材料難以很好的進(jìn)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)或者扭曲過程，因此由于存在這種缺點(diǎn)，剛性材料難以作為曲面或者活動(dòng)表面的覆蓋物。有鑒于此，加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒(Xiangfeng Duan)，黃昱(Yu Huang)等通過旋涂半導(dǎo)體納米片分散液的方式，構(gòu)筑了10 nm的薄片。其中半導(dǎo)體材料片之間通過van der Waals相互作用堆疊形成，構(gòu)建的薄層納米片材料具有機(jī)械延展性和可加工性，而且具有滲透性和透氣性。由于具有這些優(yōu)異性能，薄膜材料非常適合用于生物電子薄膜材料，能夠作為電子皮膚監(jiān)測和放大各種生物電信號(hào)，比如心電信號(hào)和腦電信號(hào)。目前物聯(lián)網(wǎng)、生物電子器件等新技術(shù)能夠用于監(jiān)控各種生命體的動(dòng)態(tài)過程、診斷人體疾病、監(jiān)控人體健康情況，在這些應(yīng)用中，將電子系統(tǒng)與不規(guī)則的柔性物體相連接變得日益重要。一種能夠用于該領(lǐng)域過程中的生物電信號(hào)系統(tǒng)需要與生物組織結(jié)構(gòu)密切相互作用，以便于各種操作，比如記錄生物信號(hào)、信號(hào)放大、進(jìn)行電子/化學(xué)刺激等。由于這些要求，生物電子器件需要一系列性能，包括電子學(xué)、機(jī)械力學(xué)、延展性、可加工等，能夠伴隨著微觀表面結(jié)構(gòu)的改變而形成自適應(yīng)性界面結(jié)構(gòu)；此外，材料需要?dú)怏w/營養(yǎng)物質(zhì)的滲透性和透氣性，便于生命體與環(huán)境之間的氣體/營養(yǎng)物質(zhì)相互交換。傳統(tǒng)的剛性電子材料難以與柔性生物組織匹配，特別是在導(dǎo)電性、機(jī)械力學(xué)響應(yīng)、可滲透性、環(huán)境自適應(yīng)性等方面。剛性無機(jī)半導(dǎo)體材料能夠制作成超薄膜，但是具有較低的延展性，而且由于其本身具有的結(jié)構(gòu)缺陷，難以與不規(guī)則的生物體表面形成共形能力界面結(jié)構(gòu)。目前通過發(fā)展褶皺，帶扣，波浪形或蛇形結(jié)構(gòu)，能夠得到具有變形能力的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)宏觀可延展性，但是微觀尺度沒有變形能力。有機(jī)半導(dǎo)體或者復(fù)合半導(dǎo)體薄膜能夠產(chǎn)生可延展性和變形能力，但是通常具有較低的電子學(xué)性能。此外，傳統(tǒng)的無機(jī)膜材料或者有機(jī)薄膜材料機(jī)械力學(xué)性能較差，通常需要擔(dān)載于聚合物基底上，而且需要多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)透氣性。聚合物基底通常比較厚（>1 μm），表現(xiàn)非常差的變形能力，難以隨著生物體環(huán)境產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。
通過學(xué)習(xí)生物自組裝中一般通過van der Waals相互作用自組裝，加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒(Xiangfeng Duan)，黃昱(Yu Huang)等報(bào)道在二維納米片通過這種類似生物體van der Waals相互作用，構(gòu)建了具有優(yōu)異機(jī)械力學(xué)性能的無擔(dān)載基底van der Waals薄膜，其機(jī)械力學(xué)性能可比擬生物軟組織，能夠適應(yīng)生物體的共型透氣型膜-組織界面。合成的van der Waals薄膜在其中堆疊的二維納米片之間形成非成鍵van der Waals界面，相鄰的納米片之間能夠滑移或者旋轉(zhuǎn)，因此實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)柔韌度、延展性、加工性、透氣性，這種材料實(shí)具有滲透/透氣功能的納米孔。圖2. 旋涂MoS2薄膜、氣相沉積法構(gòu)建MoS2薄膜性能表征。
圖3. 電子皮膚應(yīng)用。
這種van der Waals薄膜器件含有堆疊的二維納米片，二維納米片之間通過非化學(xué)鍵的van der Waals力進(jìn)行相互作用，構(gòu)建的薄膜材料能夠進(jìn)行滑移和旋轉(zhuǎn)機(jī)械力學(xué)性能，而且能夠很好的作用于生物組織，適應(yīng)生物體的局部表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與生物體完美結(jié)合形成共形結(jié)構(gòu)，在生物體中提供電子學(xué)功能，構(gòu)建柵極晶體管，能夠?qū)崿F(xiàn)以高保真的方式監(jiān)控/放大皮膚的電極電勢、生理學(xué)信號(hào)。性能。構(gòu)建的基于MoS2非基底擔(dān)載型薄膜展示了線性變化能力的機(jī)械力學(xué)性能，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到43 %時(shí)的楊氏模量達(dá)到47.3 MPa，性能比塊體MoS2（200 GPa）提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。這種顯著降低的模量說明MoS2的變形作用以及晶格擴(kuò)張轉(zhuǎn)變?yōu)镸oS2的層間滑移或者旋轉(zhuǎn)。在超過機(jī)械力學(xué)線性變化的區(qū)間，應(yīng)力仍能夠有所增加至62 %，說明層間MoS2的滑移或者旋轉(zhuǎn)達(dá)到極限，逐漸開始發(fā)生破裂，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到120 %，導(dǎo)致薄膜的完全破裂。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，作者在本文研究中將旋涂構(gòu)建的MoS2（VDWTFs）與化學(xué)氣相沉積法合成的MoS2薄膜（CVDTFs）性能進(jìn)行機(jī)械力學(xué)性能對(duì)比，由于CVDTFs必須擔(dān)載于基底上，因此對(duì)擔(dān)載于PDMS上的兩種薄膜電阻變化隨著應(yīng)力變化的情況進(jìn)行表征。結(jié)果顯示，當(dāng)應(yīng)力<2.5 %時(shí)，CVDTFs薄膜隨著應(yīng)力增加電阻線性增加，在應(yīng)力超過2.5 %，電阻變化突然顯著提高，說明在應(yīng)力達(dá)到2.5 %，MoS2薄膜就發(fā)生碎裂；相比而言，VDWTFs能夠在55 %的應(yīng)力范圍內(nèi)保持緩慢變化的電阻。隨后，考察了薄膜的自適應(yīng)性、潤濕性、透氣性。將其做成晶體管，驗(yàn)證其能夠用于監(jiān)控人體的生理學(xué)電化學(xué)信號(hào)。作者驗(yàn)證了非擔(dān)載型二維材料優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能，能構(gòu)建可延展、自適應(yīng)、具有共形能力、透氣性的薄膜電子材料器件，在二維材料構(gòu)建的器件中，二維材料通過非化學(xué)鍵的van der Waals相互作用，使得納米片可以滑移或旋轉(zhuǎn)，而且保持可加工能力。堆疊二維納米片的薄膜具有透氣性納米孔，能夠具有優(yōu)異的透氣性。Zhuocheng Yan, et al, Highly stretchable van der Waals thin films for adaptable and breathable electronic membranes, Science 2022, 375 (6583), 852-859DOI: 10.1126/science.abl8941https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8941
