斯坦福研究人员为可穿戴显示器开发弹性发光聚合物

作为构建“皮肤灵感”电子产品的总体追求的一部分,这种电子产品柔软而有弹性……

张志涛(zhiitao Zhang)戴着这种柔性发光薄膜,上面有斯坦福大学的标志,戴在他们的指关节上。这显示了薄膜如何承受弯曲和起皱。(图片来源:宝集团研究室张志涛、赖建成)

没有人会想象把自己的智能手机、电视或其他电子设备弄皱。如今的显示器——扁平、坚硬、易碎——缺乏重塑的能力,无法与用户互动。

斯坦福大学化学工程师鲍哲南(Zhenan Bao)和她的研究团队一直在研发一种显示器来改变这一现状,他们的目标是制造柔软有弹性的“皮肤启发”电子产品。现在,经过三年多的工作,他们在3月23日发表的一篇新论文中证明了可拉伸、可重塑显示器的原理自然

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他们的发明在于发现了一种生产高亮度弹性发光聚合物的方法,这种聚合物的功能类似于灯泡中的灯丝。该小组制作的显示屏完全由有弹性的聚合物——合成塑料材料制成。据报道,该设备的最大亮度至少是手机的两倍,可以拉伸到原来长度的两倍而不会撕裂麦肯齐Prillaman斯坦福新闻。

“可拉伸显示器可以实现一种新的人机交互界面方式,”工程学院的K. K. Lee教授和该论文的高级作者Bao说。“我们可以看到图像并与之互动,然后显示可以根据我们的反应而改变。”

有启发性的发现

大多数发光聚合物都很坚硬,拉伸时会开裂。科学家们可以通过添加橡胶等弹性绝缘材料来增加它们的灵活性。但是这些添加剂降低了导电性,这就要求聚合物使用危险的高电压来产生微弱的光。

然而,大约三年前,博士后学者张志涛发现,一种名为SuperYellow的黄色发光聚合物与一种聚氨酯(一种有弹性的塑料)混合后,不仅变得柔软柔韧,还能发出更明亮的光。

该研究的第一作者张说:“如果我们添加聚氨酯,我们会看到超黄形成纳米结构。”“这些纳米结构真的很重要。它们使脆性聚合物具有可拉伸性,并使聚合物发出更明亮的光,因为纳米结构像渔网一样连接在一起。”

与添加橡胶不同,使超黄具有弹性的纳米级纤维相互连接的网络不会抑制电流流动,这是开发明亮显示器的关键。在这一发现之后,该小组还创造了弹性的红色、绿色和蓝色发光聚合物。

图片来源:Andrew Brodhead(斯坦福大学)

堆叠图层

有了可拉伸的发光聚合物,该小组需要将电子显示器的其余成分分层。

“找到合适的材料真的很有挑战性,”鲍解释说。“从电子角度来说,它们必须相互匹配才能提供高亮度。但是,它们还需要有同样良好的机械性能,以使显示器具有可拉伸性。最后,在制作过程中,智韬必须找到一种方法,将这些层堆叠在一起,这样这个过程就不会降低亮度。”

最终的展示包含七层。两个外层是封装器件的两个基片。向内移动的是两个电极层,每个电极层后面都有电荷传输层。最后,发光层夹在中间。

当电流通过显示器时,一个电极将正电荷(称为空穴)注入发光层,而另一个电极则将负电荷电子注入发光层。当这两种电荷相遇时,它们结合并进入能量激发态。几乎在此之后,通过产生光子(一种光粒子),状态恢复正常。

由此产生的全聚合物薄膜可以粘附在手臂或手指上,在弯曲或弯曲过程中不会撕裂。这将使可穿戴追踪器的显示器直接连接到皮肤上。

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鲍教授看到了可拉伸显示器的多种其他潜在用途。它可以用来制作可重塑的互动屏幕,甚至在地图上形成三维景观。

鲍说:“想象一下,你可以在屏幕上看到和感受到三维物体。”“这将是一种全新的远程交互方式。”

山姆·德雷珀
2022年4月12日

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