縱觀人類科學(xué)的發(fā)展史，歷代的科學(xué)家們一直嘗試在混亂無序的無機(jī)世界與生命體之間搭建溝通的橋梁。而遠(yuǎn)在幾千年前，我們的祖先會(huì)在身體表面繪制不同的紋身圖案。盡管這種紋身僅僅是作為辟邪或者是顯示地位的圖騰，卻也是現(xiàn)代電子皮膚或電子紋身概念最原始的起源。

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉楠教授團(tuán)隊(duì)寄望于開發(fā)一種薄如蟬翼的電子皮膚，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控身體的各項(xiàng)指標(biāo)，甚至變成手勢(shì)控制器，操控各種智能設(shè)備。課題組近幾年在低維碳基高性能電子皮膚（Sci. Adv. 2017, 3, e1700159; Nat. Commun., 2021, 12, 4880）、電極/皮膚界面耦合規(guī)律及多場(chǎng)景應(yīng)用（ACS Nano 2022, 16, 17168; Adv. Funct. Mater. 2022, 2206424; Adv. Func. Mater. 2020, 30, 200098）以及光觸發(fā)電子皮膚（Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2107524; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111529; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212210）等領(lǐng)域有了深厚的積淀，基于此設(shè)計(jì)了一款新型的納米厚度的透明電子紋身。相關(guān)工作以“An Ultra-thin MXene Film for Multimodal Sensing of Neuroelectrical Signals with Artifacts Removal”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

本論文秉承提升層間電荷傳輸?shù)乃枷?，采用一步液相法制備了納米級(jí)厚度的PEDOT:PSS交聯(lián)MXene超薄電極。在MXene層間創(chuàng)造了大量的交聯(lián)位點(diǎn)和電子躍遷路徑，使其既具有較強(qiáng)的層間相互作用，又有充足的層間電荷傳遞路徑（如圖1所示）。

圖1 電子紋身設(shè)計(jì)示意及相關(guān)性能

本論文通過聚焦離子束刻蝕-高分辨透射電子顯微鏡（FIB-HRTEM）以及掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等多種實(shí)驗(yàn)手段證明PEDOT:PSS交聯(lián)前后的MXene層間距離及排列變化。為進(jìn)一步理解層間交聯(lián)的機(jī)制，還通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，深入研究了MXene與PEDOT:PSS的相互作用機(jī)理（如圖2所示）。

圖2 電子紋身的結(jié)構(gòu)分析及相關(guān)理論計(jì)算

得益于超薄的厚度（~20 nm），該電子紋身可以很容易地轉(zhuǎn)移到不同的紋理表面貼附，從而促進(jìn)界面粘附/穩(wěn)定。這種超共形特性加之優(yōu)異的導(dǎo)電性和贗電容優(yōu)勢(shì)，使得MXene電子紋身與皮膚之間的電子-離子傳導(dǎo)得以顯著提升。該電子紋身還具有與磁共振成像（MRI）和功能性近紅外光譜（fNIRS）良好的兼容性，可以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)認(rèn)知神經(jīng)監(jiān)測(cè)（如圖3所示）。

圖3 電子紋身在多模態(tài)認(rèn)知監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

該論文的第一作者為宋德魁博士。該研究得到了韓國延世大學(xué)Kwanpyo Kim教授團(tuán)隊(duì)在FIB-HRTEM方面的大力支持，美國斯坦福大學(xué)Hongping Yan博士和Song Zhang博士在GIWAXS方面的幫助以及北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盧春明教授課題組在fNIRS及多模態(tài)認(rèn)知神經(jīng)監(jiān)測(cè)方面的支持與幫助。該研究還獲得了國家自然科學(xué)基金委的資助。

審核編輯：劉清