北大团队开发硬磁导电复合材料，实现传感性能的动态调节，助力解决灵敏度与传感范围的矛盾

近日，北京大学研究员韩梦迪课题组开发了一种新材料——硬磁导电复合材料。相比以往的可重构电子器件，这种基于硬磁导电复合材料的柔性电子器件具有以下优势：

其一，不仅在功能上具有可重构性，而且在灵敏度和空间覆盖范围上也具有可重构性。这是因为硬磁导电复合材料既可以作为传感材料，也可以作为柔性电子器件的电学接口。

其二，无需依赖额外材料（例如用于毛细力连接的液体介质），也无需依赖激光机、3D 打印机等设备。这是因为对于硬磁导电复合材料来说，它能在磁学辅助的帮助之下，实现可逆自对准的电学连接。

同时，多孔石墨烯导电网络、磁性颗粒、以及磁畴的协同作用，可以增强基于硬磁导电复合材料的柔性电子器件的性能，提高它在电化学传感、电生理传感、温度传感上的效果。

（来源：Advanced Materials）

具体来说：于电化学传感而言，磁性颗粒可以促进电子转移，从而提高传感灵敏度；于电生理传感而言，由于掺杂磁性颗粒存在亲水性，因此电生理的电极阻抗也会降低；于温度传感而言，磁性颗粒内部电子热运动和磁畴热运动，能够增强对于温度的灵敏度。

其三，对于基于硬磁导电复合材料的柔性电子器件来说，由于它具有硬磁特性，因此可以通过可逆和自对准的方式，实现与其他电子元件的连接。

这样一来，通过调整磁性颗粒的磁化强度，或者调整掺杂磁性颗粒的比例，就可以调节两种硬磁导电复合材料之间的界面粘附性，让它们形成电学连接，实现可逆的组装和拆卸。

针对健康受试者的实验表明，基于硬磁导电复合材料的柔性电子器件，可以测量心电信号、皮肤阻抗、皮肤温度、以及汗液中离子和代谢物的浓度，在灵敏度、空间分布、传感模态都具备可重构的特点。

由此可见，硬磁导电复合材料是一种富有前途的材料，能用于构建可重构的柔性电子器件，针对物理信号和生化信号，进行连续、多模态、可定制的测量，从而用于各种生物医学领域，在协助诊断和辅助治疗上发挥作用。

（来源：Advanced Materials）

此外，课题组还分析了这种材料的传感机理——多孔导电网络、磁性颗粒、以及磁畴的协同作用。

通过此，为制备柔性电子器件提供了一种先进材料，助力于打造可手动连接和可手动分离的可重构柔性电子器件，并为人机界面和可穿戴器件提供了潜在机会。

总的来说，基于磁性导电复合材料的可重构柔性电子器件，尤其在以下两个方面，具有广泛的潜在应用价值：

首先，能实现可重构性能的单个器件应用。

在众多传感器的应用之中，灵敏度与传感范围的矛盾一直是个难以克服的问题。此前，要想提高传感器的灵敏度，往往会牺牲其探测范围，反之亦然。

而该团队利用磁性材料的可逆磁吸特性来改变传感器的结构，从而实现了传感性能的动态调节。

这种方法可以在不更换传感器的情况下，根据实际需要来调整灵敏度和传感范围，从而能够大大提高器件的适用性和灵活性。

对于需要在不同环境条件下、或对不同类型信号进行监测的应用场景来说，上述能力具有重要意义。

其次，能实现多模态的传感应用。

在生物医学领域，多模态传感技术的应用非常关键。对于那些病因复杂、病情发展阶段变化较大的特定疾病比如癌症、心脏病等，传统的单一模式或固定模式的传感器，往往无法满足临床需求。

而本次成果可以实现传感器功能的按需重构，以适应不同阶段或不同类型的生物信号监测。

例如：在疾病的早期阶段，可能需要高灵敏度的生化传感器，来捕捉微量生物标志物。而在疾病的治疗阶段，就需要调整参数，以便适应病情的变化。

同时，在个性化医疗和实时疾病监控等领域，这种灵活性也具有极大的潜力。

总体来说，这种基于磁性导电复合材料的可重构技术，为解决传统传感器灵敏度与传感范围矛盾提供了一种新方法，也为多模态传感和个性化监测提供了新的可能。在智能制造、环境监测、医疗健康等多个领域，都能带来不错的应用前景。

据介绍，柔性电子器件既能连续监测多种生物物理信号例如心率、血压、体温，也能监测多种生化信号例如体液中的离子和代谢物，从而能用于生物医学中的连续监测，以及用于机器人中的操作和交互。

但是，柔性电子器件的灵敏度、功能模态和空间分布，依旧不能按需调整。这主要是因为器件中的传感层和电学接口层是完全固定的，无法实现可逆的调节。

近些年，尽管也有一些可重构柔性电子的成果，但是必须采用特定材料或特定设备才能进行重构，因此并不具有普适性。并且仅能进行单一维度的重构，缺乏多维度可重构的能力。

研究伊始，韩梦迪课题组先是调研了柔性电子领域的整体发展态势，借此发现大部分柔性电子器件的功能结构都是固定的，无法进行按需调整。

而此前的可重构柔性电子器件，也存在必须依赖特定设备或特定材料进行重构、以及存在仅能进行单一维度重构等问题。为了解决这些问题，该团队定下了这一课题。

随后，他们选取磁性材料、导电材料和聚合物材料，综合对比这些材料的柔性、磁性、导电性和鲁棒性。

最终确定使用钕铁硼作为磁性材料，使用聚二甲基硅氧烷作为聚合物衬底，以及使用激光诱导石墨烯作为导电材料。

接着，他们不断摸索加工参数和材料配比，调整激光加工导电材料的参数以及磁性材料、导电材料、聚合物衬底三者的比例，从而让导电结构得以拥有完整性、磁性强度和柔性。

进一步地，基于磁性导电复合材料，他们打造了各类传感器，并对其性能加以对比。

之后，基于磁性导电复合材料的磁学辅助电学连接，他们又设计了通孔结构，借此增强电学接口的可逆性、鲁棒性、导电性。同时，也设计了自对准的结构，借此提升了对准精度。

同时，针对磁学辅助电学连接的效果、以及商用导电银胶引线的连接效果，课题组也进行了对比，验证了磁学辅助电学连接的可靠性。

此外，他们还对电学接口的柔性加以表征，确保能够实现可穿戴应用。

最后，他们利用基于磁性导电复合材料的各类传感器、以及可逆自对准的电学连接，构建了多维度、可重构的柔性电子器件，并将其用于受试者在多种场景之中的健康监测，具体包括灵敏度、空间分布、以及功能模态的可重构应用。

最终，相关论文以《用于多模式、可重构软电子器件的硬磁性石墨烯纳米复合材料》（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics）为题发在 Advanced Materials[1]。

北京大学博士生项泽华是第一作者，韩梦迪担任通讯作者。

图 | 项泽华（来源：项泽华）

未来，他们打算全面提升和扩展基于硬磁导电复合材料的可重构柔性电子技术，这将涵盖以下几个方面：

第一，扩展传感模态。

目前，本次工作主要集中在电化学传感模块上。接下来，他们计划将研究重点转移到物理传感模块例如压力和振动等，从而让传感器能够监测更加多样化的物理条件和生化条件，借此极大增强应用领域和实用性。同时，他们也将深入探索磁性颗粒对于不同类型传感模块性能的影响。

第二，改进自对准互连技术。

针对此，他们计划改进当前的自对准互连技术，实现更精确和可编程的磁吸控制。这种改进将有助于在更大范围内组装小型设备，特别是在微纳米尺度的装配中显得尤为重要。

通过这种方法，可以实现更精细和高效的器件组装，为制造更小、更复杂的传感器系统提供可能。

第三，开发完全集成的可重构柔性电子。

课题组的长期目标是开发一种完全集成的可重构柔性电子系统，包括前端传感模块和后端电路模块的紧密集成。

根据不同应用场景的需要，可以灵活选择和重构前端模块和后端电路模块，实现从器件到电路的完全按需可重构。这使得同一套系统可以适用于多种不同的应用场景，从而极大提高适应性和成本效益。

第四，应用场景的拓展和深化。

通过上述技术的发展，他们希望将这种可重构的柔性电子系统应用于更广泛的领域，比如可穿戴设备、生物医学监测、环境监测、智能制造等。

参考资料：

1.Xiang, Z., Wang, H., Zhao, P., Fa, X., Wan, J., Wang, Y., … & Han, M. (2023). Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics. Advanced Materials, 2308575.