鲍哲楠：开发出似橡胶的塑料电极（附原文）

诸平

鲍哲楠实验室的新成果

据美国斯坦福大学（Stanford University）2017年3月13日提供的消息报道,斯坦福大学化工系、电气工程系、土木与环境工程系的研究人员与SLAC 国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）斯坦福同步辐射光源以及韩国三星先进技术研究院（Samsung Advanced Institute of Technology）的科研人员合作，已经开发出一种类似橡胶但是又可以携带电线的塑料电极（见图1所示）。图1中上图是新聚合物模式的印刷电极被拉长到原始长度几倍的照片,而下面的照片是一种透明而高弹性“电子皮肤（electronic skin）”照片，与人类皮肤亲密的接触形成可测量各种生物标记物的器件。此照片由鲍哲楠（Zhenan Bao）实验室提供。相关研究成果于2017年3月10日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Yue Wang, Chenxin Zhu, Raphael Pfattner, Hongping Yan, Lihua Jin, Shucheng Chen, FranciscoMolina-Lopez, Franziska Lissel, Jia Liu, Noelle I. Rabiah, Zheng Chen, Jong Won Chung, Christian Linder, Michael F. Toney, Boris Murmann and Zhenan Bao. A highly stretchable, transparent, and conductive polymer（点击可以免费下载全文）. Science Advances, 2017, 3(3): e1602076. DOI: 10.1126/sciadv.1602076.

2017年3月10日发表于《科学进展》（Science Advances）的最新研究成果将柔软的大脑和僵硬的电子学融为一体,同时展开对这两个难题的挑战。例如当神经科学家为了测量大脑活动需要将电极植入，也可能是为了缓解疼痛或者其他目的需要提供微弱的电震动，同样需要植入电极。

化学工程师鲍哲楠（Zhenan Bao）正试图改变这种情况。十多年来,她的实验室一直致力于柔软和易弯曲电子产品的研发,以便使其感觉和操作几乎像第二层皮肤一样。沿着这条思路不断前进,研究团队已经开始集中精力，使易碎的脆性塑料能够便成为更有弹性的导电体。

在发表于《科学进展》（Science Advances）杂志的研究成果中，鲍哲楠研究团队描述了他们已经将一种易碎塑料从化学上对其进行修饰，让它变得像橡皮筋一样可以弯曲、具有弹性,而且还略微提高了其导电性。最终结果是一种柔软的、可以弯曲的电极,与我们柔软而敏感的神经有一拼。化学工程教授鲍哲楠说：“此可弯曲电极开辟了许多新的、激动人心的可能性，特别是大脑接口和其他植入式电子产品。在这里,我们具有一种导电性和高拉伸性兼备的新材料。”虽然说此种材料仍然是一种实验室产品,但研究团队希望对于它的开发，作为长期关注的创建具有人体界面的易弯曲功能材料的一部分。

易弯曲的界面

电极是电子产品的基础。传输电力需要电线来回携带信号,一个设备中会有不同的组件在一起工作也同样需要导线来回传输信号。在我们的大脑当中,特殊类似于丝状的纤维被称为轴突，就发挥着类似于导线的作用,在神经元之间传输电脉冲。鲍哲楠等人研制的柔性可延伸的塑料被设计为会使我们体内呆板的电子产品和易于弯曲的有机电极之间产生无缝连接。

论文第一作者、博士后研究人员王悦（Yue Wang音译）说：“关于人类大脑之事很多不为人知的就是它的体积的改变，即它的膨胀（swells）和缩水（deswells）之变”。目前的电子埋植物芯片无法继续与大脑的伸展和收缩同步进行,因此使得其埋植物与大脑要保持良好的联系变得复杂化。在物理学家组织网（phys.org）还提供了来自斯坦福大学相关视频，一台机器人测试仪器延伸的一个曲面几乎是透明的,而且是易于弯曲的电极，此电极是基于斯坦福大学化学工程师鲍哲楠实验室开发的一种特殊塑料而制成的。王悦说：“如果我们有一种类似于大脑的柔软电极,它将会形成一个更好的界面。”

为了创建这种易于弯曲的柔软电极,研究人员开始用塑料进行研究。但是，此类塑料必须具有两个基本特性，其一是具有高导电性；其二就是生物的相容性,这意味着此种塑料可以安全地与人体接触。但塑料的易碎性是其一大缺点，它本身非常脆，将其拉伸即使只有5%它也会破碎。

紧紧缠绕以及脆性问题的破解

当鲍哲楠和她的研究团队试图既要保护塑料的导电性而又要增加其易于弯曲的柔软性时,他们曾与美国斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）国家加速器实验室的科学家们一起合作，将一种特殊类型的X射线用于在分子水平上来研究这种材料。也就是说,所有的塑料都是聚合物，其分子链像一颗颗珠子串在一起。而鲍哲楠实验室使用的此种塑料实际上是由两种不同的聚合物紧紧缠绕在一起而构成。其中一种聚合物是导电体，而另一聚合物是制作此塑料过程中必不可少的成分。当这两种聚合物结合时它们创造了一种塑料，此塑料就像一连串的易碎的、球形结构聚合物，虽然是导电体,但不易弯曲、不柔软。

研究人员推测,如果他们能找到正确的分子添加剂，以便分离这两种紧紧缠绕的聚合物,他们即可防止这种结晶，就有可能得到更具延伸性的塑料。但是他们不得不小心翼翼地在一种导体中进行添加实验，因为添加通常会削弱其传输电信号的能力。研究者先后测试了20多种不同的分子添加剂之后,他们终于找到了一种理想的添加剂。这种添加剂分子是一种类似于餐饮业使用的浓汤宝。此添加剂可以使塑料的粗短和脆性分子结构转变成一种鱼网式结构，而且允许有孔、易于拉伸和变形。测试新材料的弹性时,他们高兴地发现当拉伸到原来长度的两倍时，依然具有导电性。即使延伸到原长度的800%，此塑料仍然保持良好的导电性。鲍哲楠说：“我们认为,如果我们增加绝缘材料,我们将得到真正导电性极差的材料,特别是当我们添加了这么多时更应该如此。”但由于他们对于如何调优分子组装的精确理解,研究者得到了两全其美的产品:使塑料产品既具有尽可能高的电导率，同时也将它转换为一种非常健壮且又有弹性的物质。王悦说：“通过在分子水平上对于相互作用的理解,我们可以开发出像皮肤一样柔软而有弹性,同时保持导电的电子产品。”

更多信息请浏览原文或者New research improves conductive plastic for health, energy, other technologies.

鲍哲楠相关信息

鲍哲楠教授出生并成长于中国南京，在南京大学完成三年本科课程后移民美国，进入伊利诺州立大学芝加哥分校化学系学习。1995年，她在美国芝加哥大学化学系取得博士学位，随后进入著名的贝尔实验室任职，从2004年起，加入美国斯坦福大学化学工程系，现为该系教授。这期间，她一直致力于化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学等领域的研究，并取得多项重要成果，是美国最优秀的女化学家之一。

鲍哲楠是美国斯坦福大学化学工程系教授，美国著名女化学家。出生并成长于南京的鲍哲楠，1987年考取南京大学化学系，在学完三年本科基础课之后，移民美国进入伊利诺州立大学芝加哥分校化学系学习，1995年，鲍哲楠在芝加哥大学化学系取得博士学位，毕业她便直接进入了著名的贝尔实验室任职，长达8年。期间因肖恩造假也曾经“蒙羞”，但是，是金子总会发光的。

贝尔实验室的肖恩，当年曾经在十几篇Science Nature文章上造假，后来被人发现，所有文章全都撤稿，肖恩自己名誉扫地。但是肖恩的主要合作者，在十几篇撤稿文章上也有署名的鲍哲楠，在查明她无造假责任之后，则没有受到影响，反而在两年后被斯坦福大学挖走。

2001年，因鲍哲楠在科研上的积极性和创造，她还获得了贝尔实验室杰出研究人员称号。2004年，鲍哲楠进入斯坦福大学化学系，潜心研究，教书育人。

鲍哲楠研究的范围很广，化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学等等，都是她涉及的领域。有机和高分子半导体材料、传感材料、有机半导体晶体管、有机太阳能电池、电子纸、人工电子皮肤……这一个个听着略微陌生的词汇，其中却凝聚了鲍哲楠众多的心血。在鲍哲楠取得的所有研究成果中，于2010年公开发表的人造皮肤研究，引发了人们广泛的关注。2011年，鲍哲楠和团队又研制出了最新的可拉伸太阳能电池，为人工电子皮肤增添了自我发电的新功能，使其得到进一步完善。据有关报道（截止2011年），鲍哲楠已在《科学》（Science）、《自然》(Nature)和其它专业刊物发表论文200余篇，申请专利60余项(其中获准30多项)。其中，她在有机薄膜晶体管领域发表的文章在1997-2007年共被引达到2226次，在被引用最多的20名作者中排名第4。

2010年9月，国际著名学术杂志《自然材料》（Nature Materials）公布了鲍哲楠研究小组的最新成果：

Stefan C. B. Mannsfeld, Benjamin C-K. Tee, Randall M. Stoltenberg, Christopher V. H-H. Chen, Soumendra Barman, Beinn V. O. Muir, Anatoliy N. Sokolov, Colin Reese, Zhenan Bao. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nature Materials, 2010, 9: 859–864. doi:10.1038/nmat2834. 作者在文章中论述了一种能够感知微小压力的人造皮肤。所谓的人造皮肤，是由敏感度极高的电子感器(electronic sensors)所组成，当感应器连成一片时，就形为"皮肤"。这种模拟人类皮肤的柔软塑料电子传感器件即人工电子皮肤，有望在假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车安全和医疗器械等诸多方面获得广泛应用。

鲍哲楠介绍说:"人造皮肤服务于现实生活的前景非常广阔。一开始，我们是希望使机器人有触觉，比如机器人去扶一个人的时候，它会知道手要抓多紧;去拿一个东西的时候，它会知道需要多大的力气，但这只是其应用的一个方面。在日常生活中，这种触觉的传感器，可应用的方面也有很多。比如，人造皮肤的灵敏传感器，可以用在手机和显示屏幕上，还有以后烧伤的病人，在皮肤移植之后，也能恢复触觉;还有一个可能的应用地方，那就是驾驶员掌握的方向盘，如果安置了触觉传感器，在驾驶员很累没有扶住方向盘的时候，方向盘可以自动感知驾驶员的非正常行驶，然后发出提醒，这样也能减少交通事故的发生。"鲍哲楠教授领导研制的"灵敏"人造皮肤对机器人科学来说是一大迈进，同时这对人类皮肤移植术以及假肢感知力的改进也有很大帮助。除此之外，鲍哲楠教授也是美国硅谷C3Nano公司创办人之一。C3Nano创办于2010年底，从事新一代透明电极材料的开发，应用于柔性电子、显示器、触控屏、太阳能光伏、节能照明等众多领域。该公司在2010年底首先获得北京金沙江创业投资基金的投资，2012年初再次获得金沙江和美国Phoenix Ventures的联合投资。