在科技日新月異的今天，可穿戴電子設備逐漸成為大多數人生活中不可或缺的一部分。從智能手表監測健康數據，到智能衣物提供舒適體驗，這些創新產品正在改變著我們與科技互動的方式。然而長期以來，一個關鍵的技術難題限制了可穿戴電子設備的發展，那就是傳統電極材料的僵硬性。
柔軟彈性電極材料的出現為這一困境帶來了轉機。日前，美國加州大學圣迭戈分校科學家在《科學·機器人》期刊發表一項最新科研成果，一種由既導電又可拉伸的聚合物電極材料開發的可穿戴電子設備，不會增加佩戴者的不適感。
傳統的電極材料，如金屬和剛性無機化合物，雖然在導電性方面表現出色，但它們的機械性能無法滿足可穿戴設備的需求。人體皮膚柔軟且具有彈性，而僵硬的電極材料無法與皮膚緊密貼合，從而導致信號采集不準確和不穩定。這對于依賴精確生物信號監測的可穿戴設備，如心率監測器和血糖儀，是一個嚴峻的考驗。
為了解決傳統電極材料的局限性，科學家們致力于研發各種柔軟彈性電極材料。目前，主要的柔軟彈性電極材料包括導電聚合物和碳納米材料，如石墨烯和碳納米管。
導電聚合物具有良好的柔韌性和可加工性，其電導率可以通過化學摻雜或結構設計進行調控。例如，聚苯胺、聚噻吩等導電聚合物，在拉伸和彎曲狀態下仍能保持較好的導電性，并可通過溶液加工的方法制備成薄膜或纖維，適用于大面積可穿戴電子設備。
作為碳納米材料的代表，石墨烯和碳納米管具有優異的導電性、機械強度和柔韌性。石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維材料，具有極高的載流子遷移率和出色的柔韌性；碳納米管則是一維的納米材料，長徑比大，能在彎曲和拉伸時保持良好的導電性能。科研人員將這些碳納米材料與聚合物復合，可制備出高性能的柔軟彈性電極。
制備柔軟彈性電極材料的方法多種多樣。化學合成法是制備導電聚合物的常用方法，通過控制反應條件和反應物的比例，可以精確地合成具有特定結構和性能的柔軟彈性電極材料。例如，在合成導電聚合物時，可通過調整摻雜劑的種類和濃度來優化其導電性和柔韌性。溶液加工法是一種簡單、低成本，且易于大規模生產的方法。例如，科研人員將導電聚合物溶解在適當的溶劑中，通過旋涂、噴墨打印或絲網印刷等方式，可將其制備成薄膜或圖案。同樣，碳納米管和石墨烯也可以通過溶液加工法制備成柔軟彈性電極。
柔軟彈性電極材料的出現為可穿戴電子設備帶來了廣泛的應用前景。在健康監測領域，柔軟彈性電極可集成到智能手環、智能貼片和智能衣物中，實時監測心率、血壓、血糖、體溫等生理參數。這些電極能緊密貼合皮膚，準確采集生物信號，為醫療診斷和健康管理提供可靠的數據支持。在運動追蹤方面，可穿戴設備中的柔軟彈性電極，可以監測運動員的動作、姿勢和肌肉活動，幫助他們優化訓練方案，提高運動表現，同時降低受傷的風險。在人機交互領域，柔軟彈性電極材料可應用于智能手套、智能表帶等設備，實現更加自然和直觀的操作方式。例如，通過檢測手指的彎曲和觸摸動作，柔軟彈性電極材料可實現對電子設備的控制。此外，它們還可用于能量收集和存儲設備，如柔性太陽能電池和超級電容器，為可穿戴設備提供持續的能源供應。
未來，柔軟彈性電極材料將不斷創新和完善，使可穿戴電子設備變得更加輕薄、舒適、智能和多功能。它們不僅僅是我們生活中的輔助工具，更有可能成為我們身體的一部分，為人們的健康、工作和娛樂帶來前所未有的便利和體驗。
（作者系華中科技大學綠色能源工業研究中心工程師、英國皇家化學會會員）
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