工程師們正致力于設計智能紋身，智能穿戴柔性器件，希望有一天能使用這些器件跟蹤人的心跳速率， 檢查中風病人的恢復狀況,或者監控糖尿病人的血糖濃度。為了滿足這些電子元件的柔性需要，研究者們發明了可以像人體一樣拉伸和彎曲的導線，電路和晶體管。一種柔性電路的設計策略是基于碳納米管或銀納米線織成的導電網絡。令研究人員一直以來迷惑的一個現象是：實驗中，當這些柔性納米線網被拉伸時，這些材料的電導率下降，而當拉伸被釋放掉時，材料的電導率幾乎保持不變（圖1）。至今沒有人提供一個理論解釋，這讓準確預測導線的性能變的十分困難。
近期在美國科學院院刊《PNAS》上的發表的文章給出了一個定量的理論。這篇文章的通訊作者是斯坦福大學的蔡巍（Wei Cai）教授，第一作者金麗華（Lihua Jin）現在任職加州大學洛杉磯分校機械和航空系助理教授。
圖1,在三個依次增大的拉伸循環中，在拉伸方向（A,C）和與拉伸垂直的方向(B,D)電阻發生變化。實驗結果（A,B）與原子模擬結果（C,D）很好地吻合。
柔性電路的設計者常使用碳納米管等納米材料，他們將碳納米管噴涂在橡膠基底上，碳納米管交錯堆積形成一個導電網絡。電子沿著碳納米管運動，在碳管連接處從一根納米管跳躍到另外一根，從而從導電網絡的一端移動到另外一端。電子能夠以多快的速度穿過導電膜，主要取決于碳納米管本身的導電性，碳管的長度，導電網絡的長度，以及電子從一根碳管跳到另外一根的難度。
本文的作者通過原子模擬重現了對碳納米管導電網絡拉伸回復的多次載荷循環，發現在拉伸的時候碳納米管會沿著拉伸的方向排列，并發生相互滑移，但在卸載的時候，碳納米管粘合到一起，并形成波浪形的屈曲（圖2）。因而當你拉伸碳管網絡然后釋放掉拉伸的時候，碳納米管導電網絡的排列變得不同了，這正是為什么它的電導率出現了不可逆的變化。這些發現也進一步被實驗驗證了。
圖2 原子模擬結果顯示，在三個依次增大的拉伸循環中，碳納米管導電網絡的形貌發生了變化。
在此基礎上，作者進一步建立了一套數學模型來解釋波浪形屈曲的產生和對電導率的影響。當一根碳納米管形成波浪形的屈曲，它頭尾的直線距離變短，因而對電導的實際貢獻變小。作者進一步將每根碳納米管的頭尾直線距離投射到拉伸和垂直兩個方向，這兩個投射距離分別表征了這根碳管在拉伸和垂直方向導電的貢獻。將兩個投射距離對所有的碳管取平均值，并與導線在對應方向的長度做比值，得到的這兩個參數，控制了導電網絡的導電性。當比值變化時，導線的導電性能就隨之變化。電導率由這兩個比值控制的行為是普適的，你并不需要使用特定直徑，長度或是特定廠家的碳納米管，只要你使用一個由細導電管線組成的導電網膜，你就會發現這一行為。
對于柔性電路的設計者來說，這項工作提供了確定的預測和指導。設計過程不再是在黑暗中摸索。在第一次拉伸之后，只要在后來的使用中，導線的拉伸不超過第一次，材料的導電性就幾乎保持不變。柔性電路的生產者可以通過一次預拉伸來確保在使用中電導率的穩定性。這項發現對于傳感器的設計者也會極為有用。比方說，一位手受傷的病人在試圖握拳。如果一個傳感器固定在他的指關節上，每次導電率變化的時候，醫生就知道病人能更緊的握拳了。這對于醫生評估病人恢復是極為有用的。這些柔性電子系統正在一天天變為現實。
本文信息及鏈接：
Jin, L., Chortos, A., Lian, F., Pop, E., Linder, C., Bao, Z., & Cai, W. (2018). Microstructural origin of resistance–strain hysteresis in carbon nanotube thin film conductors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(9), 1986-1991.
