北京理工大学张春焕/中科院化学所赵永生研究员AM：柔性光子学材料与器件——开启可穿戴技术新纪元

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-28 15:37

正文

在科技日新月异的今天，可穿戴技术已经成为我们生活中不可或缺的一部分。从智能手表到健康监测设备，这些小巧而强大的工具正在改变我们与世界的互动方式。而在这一领域中，柔性光子材料和器件的兴起，更是为可穿戴技术的发展带来了革命性的进步。得益于光子具有非侵入性、超灵敏性、免疫电磁干扰以及可并行处理等优点，柔性光子器件有望进一步推进智能可穿戴设备的发展。

中国科学院化学研究所赵永生研究员和北京理工大学张春焕助理教授长期从事有机微纳激光材料理性设计和器件精准构筑等研究（Sci. Adv., 2017, 3, e1700225; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 15992; Adv. Mater., 2023, 35, 2300054）。有机激光材料具有分子多样性、能级可调性、溶液加工性、机械柔性等优点，为新一代柔性激光技术研发提供了一个理想平台。近年来，赵永生研究员和张春焕助理教授致力于推进高性能有机激光材料在柔性光子学领域的应用，发展了多种适用于有机光子学材料的可控加工策略，实现了大面积柔性激光阵列的精准构筑。探索了柔性激光阵列在穿戴光子皮肤（Sci. Adv., 2021, 7, eabh3530; Adv. Opt. Mater., 2023, 11, 2202879）、柔性激光显示（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2103031; Sci. China Mater., 2021, 64, 2805）、可贴附激光光子编码（Adv. Mater., 2021, 33, 2102586; Adv. Mater., 2022, 34, 2107611）等方面的应用。

近期，北京理工大学张春焕与中国科学院化学研究所赵永生研究员在材料领域期刊《Advanced Materials》上发表题为“Flexible Photonic Materials and Devices: Synthetic Strategies, Sensing Properties, and Wearable Applications”的综述文章。该项工作总结了柔性光子学在可穿戴传感应用方面的总体研究进展和趋势。首先，介绍了基于有机物、无机物和杂化物合成具有本征柔性和结构柔性的光子材料和器件的各种策略。其次，对柔性光子器件的各种传感特性进行了详细讨论，主要介绍了基于波导、光学微腔和液晶软物质等的传感器设计。最后，梳理了柔性光子器件的几种可穿戴传感应用，包括人造感官系统和健康监测以及其他新兴柔性光子学应用。在结论和展望部分讨论了当前柔性光子材料和器件在可穿戴传感应用中面临的关键挑战和未来研究方向。

图1. 本征柔性材料和结构柔性材料

柔性材料是柔性光子学应用的基石。柔性材料赋予光子器件在各种变形下保持结构和功能完整性的能力，这是实现可穿戴光子技术的先决条件。可穿戴应用的巨大潜力促使人们对各种柔性光子材料和器件进行了大量的研究。到目前为止，已经开发出了许多合成策略来获得柔性光子材料和器件。一般来说，柔性光子材料可分为两类，分别具有本征柔性和结构柔性。本征柔性材料在任何几何形状下都表现出机械柔性，而结构柔性材料仅在特定的几何形状下表现出机械柔性（图1）。

同时，在文章作者分别对本证柔性材料和结构柔性材料的制备方法进行了详细介绍（图2）。本征柔性材料（如PDMS、聚氨酯弹性体、水凝胶等）可以通过旋涂/浸涂、模塑、印刷、挤出/旋涂、压印、卷对卷和激光直写等方式进行加工。对于结构柔性材料（包括2D柔性材料和1D柔性材料等）通常可以借助于标准光刻工艺进行加工，如电子束曝光、喷墨打印、模版法等。

图2 柔性光子学材料与器件加工制备策略

光子器件通常表现出高度依赖于其结构和环境参数的特性，这为高灵敏度光学传感奠定了理论基础。到目前为止，各种柔性光子器件，包括波导、腔、激光器和耦合结构，已被证明是高灵敏度的物理、化学和生物传感器（图3）。不同的柔性光子器件在传感应用中具有不同的优势。例如，柔性波导表现出简单的结构，因此易于制造工艺。柔性光腔和激光器具有高灵敏度和低检测限的特点。利用耦合光子结构可以提高传感性能，扩展传感功能。

图3 基于柔性光子学器件的传感器设计

柔性光子材料和器件的创新设计极大地推动了柔性光子学的发展。各种柔性光子器件作为可穿戴传感器已被开发出来，在人体医疗保健、假肢和机器人领域显示出巨大的潜力。作者围绕人造感官系统和健康监测以及其他新兴柔性光子学应用这三个方面对柔性光子学的应用进展进行了梳理（图4）。

图4 基于柔性光子学器件的可穿戴感官重构、健康监测及其他新兴应用

总结与展望：

在过去的二十年中，柔性光子材料的发展彻底改变了柔性光子学的领域。一系列具有本征柔性或结构柔性的光子学材料已经被开发出来，用于合成各种功能性的柔性光子器件。这些柔性光子材料和器件展现出卓越的传感特性，被广泛应用在柔性可穿戴光子技术中。尽管柔性光子学取得了巨大的成功，但仍存在一些难题需要解决，以释放柔性光子技术的全部潜力。

首先，柔性光子学仍然面临柔性材料选择有限的问题。新材料是提升功能器件的关键，因此应该投入更多的研究来开发和创造新型柔性光子材料。理想的柔性光子材料应该结合本征的柔性、大的折射率、出色的可加工性、高鲁棒性等特性。凭借包括可拉伸性、可弯曲性和可扭曲性在内的完全的机械柔性，本征柔性光子材料适用于更多的可穿戴应用场景。大的折射率对于实现高光限制和波导性能至关重要。可通过标准光刻工艺加工的柔性材料能够实现柔性光子器件的高精度和可扩展制造。鲁棒的柔性材料有助于柔性器件在可穿戴格式下的长期连续运行。同时，应该定量研究柔性材料不可避免的降解，以校准柔性设备的性能。对于柔性有源光子器件来说，本身具有发光性的柔性材料是非常理想的。此外，具有透气性、生物相容性和可降解性的柔性材料对于可穿戴光子器件也很重要。

其次，目前的柔性光子器件通常是具有单一功能的基元器件。特别是，柔性光学传感器通常只能检测单一目标。然而，实际的可穿戴应用需要检测多个目标，如力、温度和生化物质。因此，开发能够检测多个目标的柔性光子系统变得越来越重要。实现多目标检测的第一种可能策略是在单个柔性设备中集成具有不同响应性的多种光子材料。第二种可能策略是在单个柔性芯片中集成具有不同响应性的多种光子元件。相应地，柔性光子集成技术的发展变得非常可取。此外，对单一刺激具有特定响应性的柔性光子材料和元件对于构建能够并行检测多个目标的集成传感系统至关重要。

第三，柔性可穿戴光子技术仍处于概念验证阶段。柔性光学传感器的运行需要复杂的外部支持组件。在实际应用中，外部支持组件越少越好。理想的柔性可穿戴光子器件应该是集成了柔性光学传感器和其他柔性功能元件（如柔性电源、数据处理器和信息显示器）的多功能单体系统。首先，所有柔性功能光子、电子和光电子元件应该共同设计，以更好地组装实用的可穿戴系统。不同功能元件之间的接口的合理设计是关键挑战。此外，不同类型柔性功能光子和电子元件的单体集成技术的发展值得进一步研究关注。

总之，柔性光子学在可穿戴应用中取得了显著的进步。在开发柔性光子材料和器件方面已经取得了相当的进展。柔性光子学在未来可穿戴技术中的巨大潜力可能会吸引更多的研究者进入这一迷人的领域。柔性光子学面临的挑战将通过化学、材料科学和光子学不同领域的研究者的共同努力逐步解决。未来，柔性可穿戴光子学有望在提升人类健康和性能方面发挥重要作用。

文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415856

作者简介

张春焕，2017年于中国科学院化学研究所取得博士学位，2018年获得博士后创新人才计划支持开展博士后研究。2022年加入北京理工大学前沿交叉科学研究院，任助理教授。主要从事机增益材料激发态操控、有机复合微腔材料设计、有机微激光阵列构建等研究，建立了有机材料与激光出射性能之间的深层次构效关系，发展了柔性有机激光材料阵列化新策略。在国际顶级期刊发表SCI学术论文38篇，其中第一作者或通讯作者（含共同）论文19篇，包括2篇Science Advances,3篇Angew. Chem. Int. Ed.，6篇Adv. Mater., 1篇Adv. Funct. Mater., 1篇ACS Nano 等。论文被引用1600余次，h因子22。

赵永生，中国科学院化学研究所研究员、课题组组长，博士生导师。国家杰出青年基金获得者，国家万人计划领军人才，先后获国家自然科学二等奖（第二完成人）、科学探索奖、何梁何利奖、北京市杰出青年中关村奖、中国青年科技奖、中国化学会-赢创化学奖、Asian and Oceanian Photochemistry Association Prize for Young Scientist、RSC ChemComm Emerging Investigator Lectureship等。长期从事有机光子学材料与器件领域的研究，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chemistry, SCIENCE CHINA Chemistry等期刊发表论文260余篇，引用16000余次。申请/授权国内外发明专利40余项。http://yszhao.iccas.ac.cn

来源：高分子科学前沿

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