基于磁性导电复合材料的多模态、可重构柔性电子器件

柔性电子器件能够连续监测多种生物物理信号（例如心率、血压、体温）和生化信号（例如体液中的离子和代谢物）。先进材料的研发促进了柔性电子器件的发展，包括导电聚合物、纳米材料、水凝胶、液态金属、有机半导体。

由上述材料构建的柔性电子器件减轻了与生物组织之间界面的机械不匹配，从而扩展了模态并提高了传感的保真度。然而，柔软的特性使其难以与传统电子器件连接。近年来，研究人员提出了各种方法，包括聚合物/金属纳米结构、可拉伸各向异性导电薄膜，以及机械互锁微桥结构等，来实现柔性电子器件的无焊快速互连，但这些互连是不可逆的，导致柔性电子器件的功能、灵敏度、空间分布等特征固定，缺乏可重构性。

为了解决上述问题，北京大学韩梦迪课题组开发了磁性导电复合材料（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite，HMGN）来构建可重构柔性电子。HMGN结合了多孔导电材料和硬磁材料的优点：一方面，通过多孔导电网络和磁畴的协同效应改善了对电生理信号、物理信号和电化学信号的感知；另一方面，硬磁特性使得基于HMGN的器件可以通过通用、可逆和自对准的接口与其他电子元件连接，而无需加热或按压。HMGN传感器对物理和生化信号进行连续、多模态和可定制测量，在帮助痛风、癫痫和高血压等许多人类疾病的诊断和治疗方面显示出了很大的潜力。

该成果发表在Advanced Materials，题为“Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics”。北京大学博士生项泽华为论文第一作者，北京大学韩梦迪为论文通讯作者。

该可重构柔性电子器件包括各种传感模块和衬底，均基于HMGN。制备HMGN的工艺流程包括激光诱导石墨烯，钕铁硼/聚二甲基硅氧烷混合物剥离转移和后续磁化。钕铁硼颗粒渗透到多孔结构中形成磁性导电复合材料，并展示出了优异的机电性能以及磁性和生物兼容性。

图1: HMGN的制备与表征

掺杂的磁颗粒和磁畴协同调节传感过程，从而增强传感性能，包括伏安法电化学传感，电生理传感以及温度传感。对于伏安电化学传感，磁性粒子通过磁流体动力和微磁流体动力作用，在极小尺度上施加洛伦兹力诱导对流，促进快速的氧化还原反应和电子转移。对于电生理传感，掺杂NdFeB颗粒增强了复合材料的亲水性，减少气隙和增强表面润湿，从而降低界面阻抗。对于温度传感，磁性颗粒内部电子的热运动以及磁畴的热运动协同作用增强灵敏度。

图2: HMGN用于增强的多模态传感

有序的磁畴允许HMGN传感器自组装到具有磁性和导电互连的HMGN衬底上或从衬底上分离。传感器和衬底中的磁颗粒呈相反极性相互吸引，形成从传感器N极到衬底S极的连续导电路径。HMGN传感器和衬底的磁性吸引力在界面处形成了无缝连接。界面的电流-电压曲线呈线性关系，表明其欧姆接触。与其他互连技术(如导线粘合和导电胶)相比，由磁吸形成的互连是可逆的和自对准的，不需要外部压力或加热。

图3: HMGN用于可逆、自对准的电学连接

对健康人体的实验测量了心电图、皮肤阻抗、皮肤温度以及汗液中离子和代谢物的浓度，展示了基于HMGN的柔性电子器件的多模态可重构，包括可重构的灵敏度、空间分布和传感模态。

图4: 基于HMGN的可重构柔性电子

HMGN可以实现柔性电子的重构，用于各种生物医学应用，在协助诊断和治疗许多人类疾病方面具有潜力。进一步的发展包括扩展HMGN的传感模态，以针对更多样化的物理和生化条件；改进自对准互连，以协助在大范围内组装小型设备；以及开发完全集成的可重构柔性电子，包括前端传感模块和后端电路模块。

韩梦迪

北京大学

韩梦迪课题组主要从事三维与磁性柔性电子器件的开发，融汇微纳制造、电路与电子学、智能传感器、生物医学工程等领域的先进技术，开发新一代用于生物医学检测的器件及系统，以可穿戴设备、微创植入器械等形式服务于智慧医疗，相关工作发表于Nature Electronics、Nature Biomedical Engineering、Science Translational Medicine、Science Robotics、PNAS、Advanced Materials、ACS Nano等期刊。

论文信息：
https://doi.org/10.1002/adma.202308575