柔性和可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域是兩個增長顯著的領(lǐng)域，并且正在擴展到許多行業(yè)，一些應(yīng)用同時采用柔性和可穿戴設(shè)備。在許多情況下，可穿戴電子產(chǎn)品——尤其是新設(shè)備——將具有靈活性以適應(yīng)用戶。無論應(yīng)用如何，由于納米技術(shù)的進(jìn)步，這兩種——如果包括那些既靈活又可穿戴的應(yīng)用，則為三種——以目前的形式出現(xiàn)。如果不是高效制造方法的進(jìn)步，那么許多柔性和可穿戴設(shè)備將不可能實現(xiàn)，因為無法獲得執(zhí)行所需功能的材料。

納米技術(shù)如何支持靈活和可穿戴設(shè)備的進(jìn)步

任何材料都必須表現(xiàn)出許多特性才能用于可穿戴和柔性電子產(chǎn)品。最明顯的是它們必須既薄又高度靈活。如果它們不薄，它們將無法有效彎曲并且容易發(fā)生應(yīng)力性骨折。然而，一些薄的材料不靈活，這些也沒有用。盡管它們可用于某些可穿戴設(shè)備，但當(dāng)今的許多設(shè)備都需要以某種方式符合用戶的需求。總的來說，柔性電子產(chǎn)品必須堅固耐用，能夠在各種彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力下抵抗斷裂。

另外兩個特性非常有益，但取決于應(yīng)用程序。所討論的兩個特性是高導(dǎo)電性——隨后是高電荷載流子遷移率——和高光學(xué)透明度。對于許多傳感器和監(jiān)控應(yīng)用，當(dāng)材料因局部環(huán)境中的刺激而發(fā)生變化時，需要高導(dǎo)電性，這可以通過設(shè)備中傳感材料（即納米材料）的電導(dǎo)率變化來檢測柔性/可穿戴傳感器。另一方面，光學(xué)透明度與光需要穿過設(shè)備或設(shè)備的一部分的其他應(yīng)用更相關(guān)。柔性屏幕是此類應(yīng)用的一個示例。

沒有多少材料具有所有這些特性。值得慶幸的是，納米技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步產(chǎn)生了許多具有大部分（如果不是全部）這些特性的材料。沒有其他明確的材料領(lǐng)域——從有機分子到固態(tài)無機復(fù)合物和微制造——可以生產(chǎn)出具有與這些設(shè)備的需求如此吻合的特性的材料，這就是為什么納米技術(shù)在商業(yè)實現(xiàn)中發(fā)揮了重要作用這些設(shè)備。使用柔性有機分子（即聚合物材料）生產(chǎn)柔性電子產(chǎn)品的運動越來越多，但它們在效率方面落后于納米材料。盡管如此，這是一個正在緩慢增長的領(lǐng)域。這主要是因為大多數(shù)這些有機電子產(chǎn)品都是可印刷的。

納米技術(shù)一直處于開發(fā)這些電子產(chǎn)品的前沿的另一個原因是因為許多納米材料是可調(diào)的，它們的特性是可調(diào)的，而且制造過程也是可調(diào)的。換句話說，納米材料的局部結(jié)構(gòu)可以在整個合成過程中改變和定制，或者可以在形成后進(jìn)行摻雜和功能化。所有這些因素都會改變納米材料的特性以滿足應(yīng)用的特定要求。這種可調(diào)性質(zhì)使納米材料成為許多不同的柔性和可穿戴電子系統(tǒng)的通用構(gòu)建塊。

不過，納米材料的結(jié)合并非沒有挑戰(zhàn)。碳納米管 (CNT) 是最早進(jìn)行試驗的納米材料之一，但在分散和排列 CNT 方面存在一些問題。從那時起，CNT 問題得到解決，但該行業(yè)已轉(zhuǎn)向使用其他納米材料，即不同的二維材料。盡管二維六方氮化硼和過渡金屬二硫化物 (TMDC) 材料已被用于柔性電子產(chǎn)品，但石墨烯顯示出最有前途并被廣泛開發(fā)。造成這種情況的原因有很多，但簡短的回答是石墨烯可以滿足柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的每一項性能需求：

它具有任何材料中已知的最高導(dǎo)電性和載流子遷移率。

它是一種單層形式的高柔韌性材料——隨著層數(shù)的增加，柔韌性會降低。

它的光學(xué)透明度為 98.7%，這意味著它可以制造高度透明的設(shè)備。

它具有極高的抗拉強度。

對高溫、高壓和腐蝕性化學(xué)環(huán)境具有極高的穩(wěn)定性。

在這個領(lǐng)域需要注意的其他關(guān)鍵材料包括納米線和量子點。銀納米線具有在彎曲時幾乎不會改變的導(dǎo)電性和電阻率特性，使其成為柔性電子產(chǎn)品的理想選擇。量子點相對容易地表現(xiàn)出出色而明亮的熒光用于顯示器。它們有可能集成到柔性和可穿戴電子產(chǎn)品中，并帶來獨特的性能。

重點應(yīng)用領(lǐng)域

柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)在兩個主要領(lǐng)域找到了商業(yè)用途——或者至少正在籌備中。這些是柔性太陽能電池和柔性觸摸屏。就商業(yè)上發(fā)現(xiàn)的柔性屏幕而言，目前處于領(lǐng)先地位的是有機發(fā)光二極管 (OLED)（在另一種材料之上的有機分子薄膜）。盡管如此，公司開始研究將量子點整合到 OLED 設(shè)備中的可能性。此外，現(xiàn)在可以使用多個使用石墨烯的柔性屏幕，其中石墨烯和聚合物層相互堆疊。首款使用石墨烯的商用完全可折疊智能手機和筆記本電腦可能很快就會出現(xiàn)。

就采用納米材料的太陽能電池而言，它們的效率正在提高。盡管它們的效率不如其他一些太陽能電池高，但可以使用納米材料使它們變得靈活。因此，它們可以符合建筑物的幾何形狀，使它們能夠從太陽捕獲更多的光子。因此，它們的能量轉(zhuǎn)換效率可能不會那么高，但它們可以捕獲更多可以轉(zhuǎn)換為電能的光子。此外，另一個不斷增長的領(lǐng)域是將納米材料配制成墨水形式，用于制造可印刷太陽能電池。

使用可穿戴和柔性電子原理的關(guān)鍵領(lǐng)域之一是用于診斷、健康監(jiān)測和運動監(jiān)測的醫(yī)療傳感器。柔性電子設(shè)備使用納米材料來貼合皮膚的形狀并充當(dāng)傳感器。在某些情況下，它們可以留在患者身上并通過物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

每個應(yīng)用程序都使用納米材料的不同特性，以用于量身定制的方法。隨著制造方法的進(jìn)一步發(fā)展，更多柔性和可穿戴電子設(shè)備有望進(jìn)入市場。

結(jié)論

總體而言，納米材料制造和定制性能的改進(jìn)有助于柔性和可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域的發(fā)展。目前，學(xué)術(shù)界的許多應(yīng)用程序正在試驗中。鑒于目前納米材料的進(jìn)步速度，用不了多久，這些進(jìn)步就會進(jìn)一步應(yīng)用于更多商業(yè)化的柔性和可穿戴電子設(shè)備中。

審核編輯：湯梓紅