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

来源：DeepTech深科技

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）

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.

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