納米技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)柔性和可穿戴電子產(chǎn)品

柔性和可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域是兩個(gè)增長(zhǎng)顯著的領(lǐng)域，并且正在擴(kuò)展到許多行業(yè)，一些應(yīng)用同時(shí)采用柔性和可穿戴設(shè)備。在許多情況下，可穿戴電子產(chǎn)品——尤其是新設(shè)備——將具有靈活性以適應(yīng)用戶。無(wú)論應(yīng)用如何，由于納米技術(shù)的進(jìn)步，這兩種——如果包括那些既靈活又可穿戴的應(yīng)用，則為三種——以目前的形式出現(xiàn)。如果不是高效制造方法的進(jìn)步，那么許多柔性和可穿戴設(shè)備將不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闊o(wú)法獲得執(zhí)行所需功能的材料。

納米技術(shù)如何支持靈活和可穿戴設(shè)備的進(jìn)步

任何材料都必須表現(xiàn)出許多特性才能用于可穿戴和柔性電子產(chǎn)品。最明顯的是它們必須既薄又高度靈活。如果它們不薄，它們將無(wú)法有效彎曲并且容易發(fā)生應(yīng)力性骨折。然而，一些薄的材料不靈活，這些也沒(méi)有用。盡管它們可用于某些可穿戴設(shè)備，但當(dāng)今的許多設(shè)備都需要以某種方式符合用戶的需求。總的來(lái)說(shuō)，柔性電子產(chǎn)品必須堅(jiān)固耐用，能夠在各種彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力下抵抗斷裂。

另外兩個(gè)特性非常有益，但取決于應(yīng)用程序。所討論的兩個(gè)特性是高導(dǎo)電性——隨后是高電荷載流子遷移率——和高光學(xué)透明度。對(duì)于許多傳感器和監(jiān)控應(yīng)用，當(dāng)材料因局部環(huán)境中的刺激而發(fā)生變化時(shí)，需要高導(dǎo)電性，這可以通過(guò)設(shè)備中傳感材料（即納米材料）的電導(dǎo)率變化來(lái)檢測(cè)柔性/可穿戴傳感器。另一方面，光學(xué)透明度與光需要穿過(guò)設(shè)備或設(shè)備的一部分的其他應(yīng)用更相關(guān)。柔性屏幕是此類應(yīng)用的一個(gè)示例。

沒(méi)有多少材料具有所有這些特性。值得慶幸的是，納米技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步產(chǎn)生了許多具有大部分（如果不是全部）這些特性的材料。沒(méi)有其他明確的材料領(lǐng)域——從有機(jī)分子到固態(tài)無(wú)機(jī)復(fù)合物和微制造——可以生產(chǎn)出具有與這些設(shè)備的需求如此吻合的特性的材料，這就是為什么納米技術(shù)在商業(yè)實(shí)現(xiàn)中發(fā)揮了重要作用這些設(shè)備。使用柔性有機(jī)分子（即聚合物材料）生產(chǎn)柔性電子產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越多，但它們?cè)谛史矫媛浜笥诩{米材料。盡管如此，這是一個(gè)正在緩慢增長(zhǎng)的領(lǐng)域。這主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)這些有機(jī)電子產(chǎn)品都是可印刷的。

納米技術(shù)一直處于開(kāi)發(fā)這些電子產(chǎn)品的前沿的另一個(gè)原因是因?yàn)樵S多納米材料是可調(diào)的，它們的特性是可調(diào)的，而且制造過(guò)程也是可調(diào)的。換句話說(shuō)，納米材料的局部結(jié)構(gòu)可以在整個(gè)合成過(guò)程中改變和定制，或者可以在形成后進(jìn)行摻雜和功能化。所有這些因素都會(huì)改變納米材料的特性以滿足應(yīng)用的特定要求。這種可調(diào)性質(zhì)使納米材料成為許多不同的柔性和可穿戴電子系統(tǒng)的通用構(gòu)建塊。

不過(guò)，納米材料的結(jié)合并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。碳納米管 (CNT) 是最早進(jìn)行試驗(yàn)的納米材料之一，但在分散和排列 CNT 方面存在一些問(wèn)題。從那時(shí)起，CNT 問(wèn)題得到解決，但該行業(yè)已轉(zhuǎn)向使用其他納米材料，即不同的二維材料。盡管二維六方氮化硼和過(guò)渡金屬二硫化物 (TMDC) 材料已被用于柔性電子產(chǎn)品，但石墨烯顯示出最有前途并被廣泛開(kāi)發(fā)。造成這種情況的原因有很多，但簡(jiǎn)短的回答是石墨烯可以滿足柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的每一項(xiàng)性能需求：

它具有任何材料中已知的最高導(dǎo)電性和載流子遷移率。

它是一種單層形式的高柔韌性材料——隨著層數(shù)的增加，柔韌性會(huì)降低。

它的光學(xué)透明度為 98.7%，這意味著它可以制造高度透明的設(shè)備。

它具有極高的抗拉強(qiáng)度。

對(duì)高溫、高壓和腐蝕性化學(xué)環(huán)境具有極高的穩(wěn)定性。

在這個(gè)領(lǐng)域需要注意的其他關(guān)鍵材料包括納米線和量子點(diǎn)。銀納米線具有在彎曲時(shí)幾乎不會(huì)改變的導(dǎo)電性和電阻率特性，使其成為柔性電子產(chǎn)品的理想選擇。量子點(diǎn)相對(duì)容易地表現(xiàn)出出色而明亮的熒光用于顯示器。它們有可能集成到柔性和可穿戴電子產(chǎn)品中，并帶來(lái)獨(dú)特的性能。

重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)在兩個(gè)主要領(lǐng)域找到了商業(yè)用途——或者至少正在籌備中。這些是柔性太陽(yáng)能電池和柔性觸摸屏。就商業(yè)上發(fā)現(xiàn)的柔性屏幕而言，目前處于領(lǐng)先地位的是有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)（在另一種材料之上的有機(jī)分子薄膜）。盡管如此，公司開(kāi)始研究將量子點(diǎn)整合到 OLED 設(shè)備中的可能性。此外，現(xiàn)在可以使用多個(gè)使用石墨烯的柔性屏幕，其中石墨烯和聚合物層相互堆疊。首款使用石墨烯的商用完全可折疊智能手機(jī)和筆記本電腦可能很快就會(huì)出現(xiàn)。

就采用納米材料的太陽(yáng)能電池而言，它們的效率正在提高。盡管它們的效率不如其他一些太陽(yáng)能電池高，但可以使用納米材料使它們變得靈活。因此，它們可以符合建筑物的幾何形狀，使它們能夠從太陽(yáng)捕獲更多的光子。因此，它們的能量轉(zhuǎn)換效率可能不會(huì)那么高，但它們可以捕獲更多可以轉(zhuǎn)換為電能的光子。此外，另一個(gè)不斷增長(zhǎng)的領(lǐng)域是將納米材料配制成墨水形式，用于制造可印刷太陽(yáng)能電池。

使用可穿戴和柔性電子原理的關(guān)鍵領(lǐng)域之一是用于診斷、健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的醫(yī)療傳感器。柔性電子設(shè)備使用納米材料來(lái)貼合皮膚的形狀并充當(dāng)傳感器。在某些情況下，它們可以留在患者身上并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

每個(gè)應(yīng)用程序都使用納米材料的不同特性，以用于量身定制的方法。隨著制造方法的進(jìn)一步發(fā)展，更多柔性和可穿戴電子設(shè)備有望進(jìn)入市場(chǎng)。

結(jié)論

總體而言，納米材料制造和定制性能的改進(jìn)有助于柔性和可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域的發(fā)展。目前，學(xué)術(shù)界的許多應(yīng)用程序正在試驗(yàn)中。鑒于目前納米材料的進(jìn)步速度，用不了多久，這些進(jìn)步就會(huì)進(jìn)一步應(yīng)用于更多商業(yè)化的柔性和可穿戴電子設(shè)備中。

審核編輯：湯梓紅