j9九游會(huì)登錄入口首頁(yè)導(dǎo)電聚合物聚-3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）因其卓越的穩(wěn)定性、生物相容性和獨(dú)特的離子/電子導(dǎo)電性，已成為開(kāi)發(fā)可穿戴技術(shù)和生物電子學(xué)的一種極具吸引力的材料。許多研究致力于改進(jìn)PEDOT的合成方法，其中氣相聚合（VPP）、氧化化學(xué)氣相沉積和電化學(xué)聚合是最重要的技術(shù)。這些方法有助于將PEDOT粒子和薄膜沉積到硅片或?qū)щ姴ＡУ绕矫婊咨?。然而，這些方法常受電極尺寸、電解液濃度或額外真空和高溫條件的限制，導(dǎo)致廢料處理步驟復(fù)雜繁瑣。此外，這些方法對(duì)基底的適應(yīng)性仍是挑戰(zhàn)j9九游會(huì)登錄入口首頁(yè)，基底對(duì)制造基于PEDOT的可穿戴電子產(chǎn)品至關(guān)重要。

　　近日，東北林業(yè)大學(xué)于海鵬教授團(tuán)隊(duì)與沈陽(yáng)化工大學(xué)趙大偉教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的低共熔溶劑（DES）誘導(dǎo)氣相聚合策略。該技術(shù)無(wú)需額外的氧化劑或液體環(huán)境，可促進(jìn)PEDOT在各種基底上實(shí)現(xiàn)圖案化聚合，包括纖維素、木材、塑料、玻璃甚至水凝膠。DES引發(fā)的氣相聚合法制備的PEDOT/纖維素材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如高電子導(dǎo)電性（282 S m-1）、高比表面積（達(dá)5.29 m2 g-1）、高比容量（2220 mF cm-2）、良好的界面穩(wěn)定性以及寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口（-1.4至2.4 V in PBS溶液）。該方法具有實(shí)用性和多樣化應(yīng)用，圖案化精細(xì)度可達(dá)200~400 μm，在自支撐柔性電極、神經(jīng)電極接口和精密電路修復(fù)中均具有應(yīng)用潛力。該研究以“A General Synthesis Method for Patterning PEDOT toward Wearable Electronics and Bioelectronics”為題發(fā)表于最新一期《Research》期刊，文章第一作者為東北林業(yè)大學(xué)博士研究生程婉可。

　　該研究首先設(shè)計(jì)了一種以DES為媒介的VPP策略（DES-induced-VPP）。設(shè)計(jì)了以引發(fā)PEDOT聚合所必需的氧化劑FeCl3·6H2O，和同時(shí)兼具小分子模板與質(zhì)子清除劑的尿素，二者為組分所制備的DES體系。該體系對(duì)環(huán)境無(wú)害，在60°C的適度溫度下即可高效運(yùn)行，無(wú)需額外添加劑。氫鍵連接在DES與基質(zhì)之間以及EDOT與DES之間起關(guān)鍵的誘導(dǎo)定向作用。EDOT單體通過(guò)氫鍵被DES的尿素分子有效捕獲和固定。因此，PEDOT的聚合和沉積只發(fā)生在DES處理過(guò)的位點(diǎn)上，從而使PEDOT能夠按照設(shè)定的構(gòu)型在各種基底（包括纖維素材料、塑料、玻璃和木板）上精確地實(shí)現(xiàn)圖案化（圖1）。該方法所展現(xiàn)的性能和可擴(kuò)展性表明DES-induced-VPP策略在生物電子材料和器件的生產(chǎn)中具有廣闊的潛力。

　　圖1. 通過(guò)DES-induced-VPP實(shí)現(xiàn)圖案化PEDOT的示意圖、雷達(dá)圖對(duì)比和實(shí)物圖展示。

　　如圖2所示，纖維素表面富含游離羥基（-OH），有利于纖維素分子鏈與DES以及EDOT之間形成氫鍵j9九游會(huì)登錄入口首頁(yè)。纖維素基底的大孔結(jié)構(gòu)及其天然的兩親特性為DES提供了大量的吸附位點(diǎn)，確保DES在基質(zhì)表面和內(nèi)部的均勻沉積。這種DES-induced-VPP策略能夠精確控制PEDOT在基底上的位置和數(shù)量。因?yàn)樵谥苯訉?xiě)入或印刷過(guò)程中，可以通過(guò)操縱速度和循環(huán)次數(shù)對(duì)DES的負(fù)載和定位進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。因此，PEDOT只沉積在同時(shí)存在DES和EDOT的區(qū)域j9九游會(huì)登錄入口首頁(yè)。與EDOT蒸汽隔離的DES圖案仍保持，而暴露于EDOT的區(qū)域則按預(yù)定圖案覆蓋黑色PEDOT（圖2）。此外，PEDOT的沉積量可以通過(guò)改變EDOT蒸汽的恒定濃度來(lái)調(diào)節(jié)。值得注意的是，PEDOT和纖維素基底之間的大量氫鍵賦予了界面顯著的穩(wěn)定性，即使在大面積彎曲后也不會(huì)分層。

　　圖2. 通過(guò)DES-induced-VPP實(shí)現(xiàn)圖案化PEDOT在纖維素基底上聚合的機(jī)理和微觀形貌。

　　通過(guò)多種顯微技術(shù)如SEM、TEM和AFM，對(duì)DES-induced-VPP策略制備的PEDOT圖案的形態(tài)結(jié)構(gòu)和特征進(jìn)行了研究，基底表面均勻覆蓋了層疊的PEDOT納米顆粒。橫截面PEDOT特有的硫元素分布證實(shí)了基底表面和內(nèi)部PEDOT沉積的均勻性。小角X射線散射（SAXS）被用來(lái)檢測(cè)圖案化PEDOT薄膜的空間組織和結(jié)晶度。隨著DES誘導(dǎo)的VPP過(guò)程的推進(jìn)而變亮和增強(qiáng)的PEDOT特征峰的二維圖案表明PEDOT結(jié)晶層厚度的增加。而一維線圖中PEDOT特征峰值的銳化則表明PEDOT結(jié)構(gòu)具有高度有序性和結(jié)晶性。DES-induced-VPP策略的多功能性體現(xiàn)在它對(duì)各種基底的有效應(yīng)用上。除了適用于描圖紙、NKK隔板、玻璃和塑料等光滑表面外，還能將線微米的精確圖案轉(zhuǎn)移到椴木、輕木和牛皮紙等具有粗糙紋理的表面上。這表明DES-induced-VPP策略可以制作出更富細(xì)節(jié)和精度的PEDOT圖案。這得益于富含高濃度離子/分子的DES具有合適的表面張力，可以在各種基底上實(shí)現(xiàn)有限的擴(kuò)散和必要的潤(rùn)濕性。

　　圖4評(píng)估了圖案化PEDOT材料的電化學(xué)性能和界面穩(wěn)健性。圖案化PEDOT的電導(dǎo)率測(cè)量值為282 S m-1，比表面積達(dá)到5.29 m2 g-1。由于具有高導(dǎo)電性、多孔結(jié)構(gòu)和大的比表面積，圖案化PEDOT的電化學(xué)性能具有卓越競(jìng)爭(zhēng)力。在1 mA cm-2的電流密度下，PEDOT的面積比電容值可高達(dá)2220.8 mF cm-2，同時(shí)具有更高的熱穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性。溶液浸泡測(cè)試顯示，在水中和乙腈中浸泡長(zhǎng)達(dá)90天后，PEDOT仍沒(méi)有脫落跡象，表明其與基底之間具有牢固的界面粘附性。此外，膠帶剝離測(cè)試也證實(shí)了這一結(jié)論，在使用膠帶剝離500次后，PEDOT仍能達(dá)到94%的質(zhì)量留存率。在空氣、水或乙腈等不同環(huán)境中的導(dǎo)電穩(wěn)定性測(cè)試表明，PEDOT能保持60-95%的高導(dǎo)電率，充分展現(xiàn)了其韌性。

　　DES-induced-VPP策略制備的自支撐PEDOT電極具有多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性和較大的比表面積，這些特性可以提高電解質(zhì)的潤(rùn)濕性和界面電荷轉(zhuǎn)移率，同時(shí)增加離子吸附位點(diǎn)的數(shù)量j9九游會(huì)登錄入口首頁(yè)，使得組裝的柔性超級(jí)電容器具有突出的電化學(xué)性能。在電流密度為1 mA cm-2時(shí)的面積比容量為489 mF cm-2，能量密度可達(dá)到42.02 μWh cm-2。多個(gè)柔性超級(jí)電容器串聯(lián)后可以集成為手表腕帶，充分展示了PEDOT在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的潛力。此外，通過(guò)DES誘導(dǎo)的VPP方法可以成功制造出數(shù)百微米寬度的纖維素基神經(jīng)電極。開(kāi)發(fā)的神經(jīng)電極在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中顯示出穩(wěn)定的-1.4至2.4 V電壓窗口和低至90歐姆的接觸電阻，有利于記錄神經(jīng)活動(dòng)。此外，DES誘導(dǎo)的VPP方法還在受損電路板的原位修復(fù)中實(shí)現(xiàn)有趣的應(yīng)用，有助于快速、直接地恢復(fù)電路功能。

　　總結(jié)：本文提出了一種新型DES誘導(dǎo)的VPP策略用于PEDOT的可控沉積和圖案化。利用在25°C至60°C溫度范圍內(nèi)的DES誘導(dǎo)VPP工藝，結(jié)合直接寫(xiě)入印刷技術(shù)，成功在各種基底材料上沉積了PEDOT。制備的PEDOT薄膜具有優(yōu)異的界面粘附性和理想的電化學(xué)特性。該方法可實(shí)現(xiàn)PEDOT的精確圖案化，在多種不同材質(zhì)的基底材料上均可以保持微米級(jí)的分辨率。適用的基底材料包括纖維素、各種塑料、木材、玻璃甚至水凝膠等，表明該方法具有多功能性和適應(yīng)不同表面輪廓和成分的能力。這種精度對(duì)于制造復(fù)雜曲面電子設(shè)備的復(fù)雜圖案細(xì)節(jié)至關(guān)重要。DES誘導(dǎo)VPP方法的簡(jiǎn)單性、多功能性和可擴(kuò)展性顯著提高了其在更廣泛應(yīng)用中的實(shí)用性。結(jié)合其高分辨率的圖案化能力，為制造自供電柔性電極、高保真神經(jīng)電極接口以及對(duì)細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)完整性有嚴(yán)格要求的電子電路的精細(xì)修復(fù)創(chuàng)造了重要機(jī)會(huì)。總之j9九游會(huì)登錄入口首頁(yè)，DES誘導(dǎo)VPP方法是一項(xiàng)前景廣闊的技術(shù)，有望對(duì)可穿戴電子設(shè)備和精密生物電子設(shè)備領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。