通过受油酸启发调控侧链有序性实现本征高延展性的高性能n型半导体聚合物

随身体运动的软电子设备

想象一种医疗传感器，它像第二层皮肤一样随你的皮肤弯曲和拉伸，而不是像僵硬的绷带那样贴在上面。要制造这种真正舒适的电子设备，需要在被拉伸、扭曲和弯曲成千上万次的同时仍能传导电信号的材料。本文展示了如何通过对类塑料分子“尾巴”的微小改动，将一种通常易碎的电子材料转变为既能拉伸又能弹回，同时不损失高效载流能力的材料。

为什么可拉伸塑料难以设计

柔性电子通常依赖一种称为半导体聚合物的特殊塑料，它们既能导电又可像普通塑料一样加工。但这些材料存在内在矛盾。为了快速移动电荷，其长分子主链倾向于紧密、有序地堆叠成晶体结构。为了在拉伸时不破裂，则需要更柔软、无序的区域以便在应力下重新排列。对于构成完整电子电路所必需的负电荷载流子材料（即n型材料），在快速电荷传输与机械可拉伸性之间找到良好平衡尤其困难。

借用日常脂肪的一招

为了解决这一问题，研究人员从常见脂肪酸（如食用油中的成分）中获得启发。像硬脂酸这样的饱和脂肪酸能够紧密堆积，并表现为蜡状固体。含有顺式双键的油酸（存在于橄榄油中）在链上有一个小弯曲，破坏了紧密堆积，使其在室温下呈流体状态。团队在一种先进的n型半导体聚合物中模拟了这一思路。他们以已知具有快速电子传输的高性能主链为出发，并连接了两种类型的长侧链：一组完全笔直（饱和），另一组带有内部弯曲（不饱和），直接类比于硬脂酸与油酸的区别。

分子无序如何软化薄膜

通过一系列热学、力学和X射线技术，科学家们表明，向侧链引入弯曲并未实质改变主链的电子结构，但显著改变了侧链的堆积方式。笔直的侧链会形成有序的晶域，这些晶域在接近室温时熔化，使薄膜变得僵硬且易脆裂，在应变下早期发生断裂。相比之下，带弯曲的侧链不易晶化，保持无定形且更具流动性。这种额外的分子运动在链间创造了自由空间，使整体薄膜更软、更有弹性，并能在局部应力集中成破坏性裂纹之前更好地耗散应力。

拉伸而不失性能

随后，团队用两种聚合物制备了微小晶体管并系统地对薄膜进行拉伸测试。基于直链侧链的器件在应变增加和反复循环时迁移率迅速下降。而由带弯侧链的聚合物制成的器件即使在拉伸到50%或在25%应变下经过2,000次拉伸—释放循环后，仍能保持约0.4平方厘米每伏秒的稳定电子迁移率。应变下的显微和散射测量揭示了原因：在较软的材料中，晶体区域会旋转并沿拉伸方向对齐，而有序区与无序区的链则相互滑动而不是断裂。这种多尺度的重排使薄膜在出现严重裂纹之前能够显著拉伸。

为贴肤更温和、更智能的器件提供配方

总体而言，这项工作表明，通过在侧链中巧妙引入分子“混乱”——同时保持主要导电主链完整——可以得到既高度可拉伸又电子性能强劲的n型聚合物。对非专业读者来说，主要信息是，未来可穿戴和植入式电子设备的手感与耐久性可以通过像分子尾巴上的一个弯曲这样微小的细节来调节。受油酸启发的这种设计策略原则上可以应用于许多其他电子塑料，推动我们更接近那些能随人体自然运动的柔软可靠的器件。

引用: Zhang, XY., Yu, ZD., Liu, NF. et al. Achieving intrinsically stretchable high-performance n-type semiconducting polymers by tuning side chain ordering inspired by oleic acid. npj Flex Electron 10, 45 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00547-3

关键词: 可拉伸电子学, 半导体聚合物, n型材料, 可穿戴设备, 分子设计