纳米技术帮助实现柔性和可穿戴电子产品

柔性和可穿戴电子产品领域是两个增长显着的领域，并且正在扩展到许多行业，一些应用同时采用柔性和可穿戴设备。在许多情况下，可穿戴电子产品——尤其是新设备——将具有灵活性以适应用户。无论应用如何，由于纳米技术的进步，这两种——如果包括那些既灵活又可穿戴的应用，则为三种——以目前的形式出现。如果不是高效制造方法的进步，那么许多柔性和可穿戴设备将不可能实现，因为无法获得执行所需功能的材料。

纳米技术如何支持灵活和可穿戴设备的进步

任何材料都必须表现出许多特性才能用于可穿戴和柔性电子产品。最明显的是它们必须既薄又高度灵活。如果它们不薄，它们将无法有效弯曲并且容易发生应力性骨折。然而，一些薄的材料不灵活，这些也没有用。尽管它们可用于某些可穿戴设备，但当今的许多设备都需要以某种方式符合用户的需求。总的来说，柔性电子产品必须坚固耐用，能够在各种弯曲和扭转应力下抵抗断裂。

另外两个特性非常有益，但取决于应用程序。所讨论的两个特性是高导电性——随后是高电荷载流子迁移率——和高光学透明度。对于许多传感器和监控应用，当材料因局部环境中的刺激而发生变化时，需要高导电性，这可以通过设备中传感材料（即纳米材料）的电导率变化来检测柔性/可穿戴传感器。另一方面，光学透明度与光需要穿过设备或设备的一部分的其他应用更相关。柔性屏幕是此类应用的一个示例。

没有多少材料具有所有这些特性。值得庆幸的是，纳米技术的出现和进步产生了许多具有大部分（如果不是全部）这些特性的材料。没有其他明确的材料领域——从有机分子到固态无机复合物和微制造——可以生产出具有与这些设备的需求如此吻合的特性的材料，这就是为什么纳米技术在商业实现中发挥了重要作用这些设备。使用柔性有机分子（即聚合物材料）生产柔性电子产品的运动越来越多，但它们在效率方面落后于纳米材料。尽管如此，这是一个正在缓慢增长的领域。这主要是因为大多数这些有机电子产品都是可印刷的。

纳米技术一直处于开发这些电子产品的前沿的另一个原因是因为许多纳米材料是可调的，它们的特性是可调的，而且制造过程也是可调的。换句话说，纳米材料的局部结构可以在整个合成过程中改变和定制，或者可以在形成后进行掺杂和功能化。所有这些因素都会改变纳米材料的特性以满足应用的特定要求。这种可调性质使纳米材料成为许多不同的柔性和可穿戴电子系统的通用构建块。

不过，纳米材料的结合并非没有挑战。碳纳米管 (CNT) 是最早进行试验的纳米材料之一，但在分散和排列 CNT 方面存在一些问题。从那时起，CNT 问题得到解决，但该行业已转向使用其他纳米材料，即不同的二维材料。尽管二维六方氮化硼和过渡金属二硫化物 (TMDC) 材料已被用于柔性电子产品，但石墨烯显示出最有前途并被广泛开发。造成这种情况的原因有很多，但简短的回答是石墨烯可以满足柔性和可穿戴电子产品的每一项性能需求：

它具有任何材料中已知的最高导电性和载流子迁移率。

它是一种单层形式的高柔韧性材料——随着层数的增加，柔韧性会降低。

它的光学透明度为 98.7%，这意味着它可以制造高度透明的设备。

它具有极高的抗拉强度。

对高温、高压和腐蚀性化学环境具有极高的稳定性。

在这个领域需要注意的其他关键材料包括纳米线和量子点。银纳米线具有在弯曲时几乎不会改变的导电性和电阻率特性，使其成为柔性电子产品的理想选择。量子点相对容易地表现出出色而明亮的荧光用于显示器。它们有可能集成到柔性和可穿戴电子产品中，并带来独特的性能。

重点应用领域

柔性电子产品已经在两个主要领域找到了商业用途——或者至少正在筹备中。这些是柔性太阳能电池和柔性触摸屏。就商业上发现的柔性屏幕而言，目前处于领先地位的是有机发光二极管 (OLED)（在另一种材料之上的有机分子薄膜）。尽管如此，公司开始研究将量子点整合到 OLED 设备中的可能性。此外，现在可以使用多个使用石墨烯的柔性屏幕，其中石墨烯和聚合物层相互堆叠。首款使用石墨烯的商用完全可折叠智能手机和笔记本电脑可能很快就会出现。

就采用纳米材料的太阳能电池而言，它们的效率正在提高。尽管它们的效率不如其他一些太阳能电池高，但可以使用纳米材料使它们变得灵活。因此，它们可以符合建筑物的几何形状，使它们能够从太阳捕获更多的光子。因此，它们的能量转换效率可能不会那么高，但它们可以捕获更多可以转换为电能的光子。此外，另一个不断增长的领域是将纳米材料配制成墨水形式，用于制造可印刷太阳能电池。

使用可穿戴和柔性电子原理的关键领域之一是用于诊断、健康监测和运动监测的医疗传感器。柔性电子设备使用纳米材料来贴合皮肤的形状并充当传感器。在某些情况下，它们可以留在患者身上并通过物联网 (IoT) 技术进行远程监控。

每个应用程序都使用纳米材料的不同特性，以用于量身定制的方法。随着制造方法的进一步发展，更多柔性和可穿戴电子设备有望进入市场。

结论

总体而言，纳米材料制造和定制性能的改进有助于柔性和可穿戴电子产品领域的发展。目前，学术界的许多应用程序正在试验中。鉴于目前纳米材料的进步速度，用不了多久，这些进步就会进一步应用于更多商业化的柔性和可穿戴电子设备中。

审核编辑：汤梓红