研究背景

由于其独特的物理特性，如在紧张条件下的高性能、稳定性和耐用性，可拉伸和柔性传感器在开发下一代电子产品方面受到了越来越多的研究人员的关注。在未来，柔性传感器有望在提高皮肤启发的电子产品的可靠性方面发挥关键作用，包括电子皮肤(e-skins)、人机界面(HMIs)、软机器人和生理监测。这种生物兼容的电子平台，包括可植入的传感器，表皮电子器件和可穿戴的护理点(POC)诊断，将提供生物医学科学和人类健康监测的关键信息，从而大大重塑不同生态系统和资源有限环境中的未来医疗管理。因此，不同类型的传感器已经被开发出来，它们具有卓越的传感性能、高灵活性和可伸展性的特点。

各种策略已经被引入，通过设计可变形的物理几何形状和结构，包括裂纹、蛇形、弯曲、岛或网状微结构，来实现灵活和可拉伸的传感器。此外，各种软性材料(如金属纳米材料、液态金属、碳纳米材料、混合复合材料或导电聚合物)由于在机械应力下具有良好的电气和机械性能，已被开发用于制造柔性和可拉伸的电子器件。这些方法可以通过扩展或变形其物理结构吸收施加的应力。总的来说，表面起皱是最简单的方法，它提供了一种低成本、大规模和高效的策略，用于制备具有多种机械和电气性能的器件，如高表面积、导电性、可调性和可变形性。此外，柔性和可拉伸装置中的起皱现象可以提高其传感性能和物理可变形性。

研究成果

最近在纳米光刻技术、微型化和材料科学方面的进展，以及可穿戴电子设备的发展，正在将传感器技术的前沿推向大规模制造高度敏感、灵活、可拉伸和多模式的检测系统。各种策略，包括表面工程，已经被开发出来以控制传感器的电气和机械特性。特别是，表面起皱提供了一种有效的替代方法，通过释放界面应力、防止电气故障和扩大表面积来改善柔性和可拉伸传感器的传感性能和机械变形能力。在这篇综述中，北卡罗来纳州立大学Qingshan Wei、Yong Zhu教授和乌尔桑大学Seung Goo Lee教授等人讨论了用于传感器应用的皱褶结构的制造策略的最新发展。总结了皱纹图案的基本力学、几何控制策略和各种制造方法。此外，还回顾了起皱方法的现状及其对各种类型的传感器(包括应变、压力、温度、化学、光电探测器和多模式传感器)发展的影响。最后，现有的起皱方法、设计和传感策略被推断为未来的应用。相关报道以“Surface Wrinkling for Flexible and Stretchable Sensors”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of wearable sensors based on surface wrinkling. 

Figure 2. Mechanics of the wrinkling phenomena.

Figure 3. Strategies for geometry controls of the wrinkles.

Figure 4. Methods to generate various dimensions of wrinkle patterns.

Figure 5. Wrinkle fabrication methods with mechanical prestraining.

Figure 6. Merits for the flexible or stretchable sensors with mechanical prestraining-based wrinkles. 

Figure 7. Chemical swelling-induced wrinkle patterns.

Figure 8. Versatilities for wrinkle-based flexible or stretchable sensors.

Figure 9. Wrinkle formation based on thermal annealing.

Figure 10. Wrinkle formation with thermal annealing for preparing flexible or stretchable sensors.

总结与展望

柔性电子学的快速发展诱发了新的挑战和要求，为各种分析和生物医学应用制造高性能的传感器。尽管在生产新型微型和纳米结构的传感器方面取得了重大进展，不同特性之间的权衡阻碍了需要同时和平行特性的高效传感器的制造。因此，各种策略，包括表面起皱和额外的表面结构，已经被引入和发展，以提高传感器的物理和化学特性。

1. 基于表面褶皱的二次结构的制造策略。无处不在的自然和人工皱纹形态表现出各种特殊特性，包括高表面积、疏水性和光散射，这些特性赋予了传感器优化和增强的性能。使用分层的微型和纳米结构制造的物理传感器表现出各种传感能力，在特定点上具有高灵敏度。因此，在整个范围内实现高灵敏度是一个重要的要求。广泛使用的开发应变和压力传感器的方法是铸造、生物材料复制和光刻，这些都是复杂的程序，或在制造微结构形态时无法控制。为了弥补这些局限性，可以采用包括电纺、3D打印和微工程方法在内的制造策略来获得具有最佳性能的高效物理传感器。

2. 使用褶皱的微/纳米材料制造的传感器。包括CNTs、石墨烯和金属纳米颗粒/纳米线在内的纳米材料已被用于制造基于皱纹的微观和纳米结构的传感器。其中，MXene、新兴的二维过渡金属碳化物和碳氮化物具有优良的电气和结构特性，在各种应用中获得了青睐，包括能源储存、电磁干扰屏蔽、水修复和气体传感。

3. 材料、加工和应用的未来方向。使用标准的光刻技术可以实现具有类似几何形状和位置的微/纳米材料的自发起皱。然而，用于实际集成传感器的更复杂的结构和几何形状的制造还没有被完全理解。特别是，基材表面与皱纹的相互作用对固-固界面的图案形成的表征仍然是一个巨大的挑战。此外，单层二维材料(如石墨烯)中的皱纹形成也没有得到确切的理解或完全控制。原因是由于环境波动导致二维原子层缺乏稳定性，以及薄膜中存在随机皱纹。因此，将需要了解和研究从纳米到亚纳米薄膜控制皱纹的方法和策略。这也将是一个很有前途的方法，可以利用皱纹来进行二维纳米材料的应变工程。具有特定几何形状、图案和功能的可调控功能特性的动态表面起皱，对于从生物医学工程和光电子学到传感器制造的各种微加工应用是很有前途的。然而，为了提高可逆性和响应速度，有必要开发新的技术和策略，包括与不同的图案技术、可操作性和分子水平的可设计性相结合，这将提供具有非凡功能和新颖应用的图案形成。制造策略，如激光辐射、热收缩聚合物引起的压缩，以及液体-气体界面的相互作用，可以用来制造具有可调控高度和分布的均匀皱纹自组装。
    总的来说，本综述提供了关于材料发展和表面皱纹在制造各种类型的传感器中的应用的观点。此外，本综述还讨论了各种工程表面皱纹的力学和物理特性，以改善可拉伸和柔性传感器的灵敏度和响应。尽管最近的制造挑战和限制，各种表面工程材料和策略将很快被引入和提出，通过协同表面皱纹、裂缝和新型微纳米结构来生产高效的传感器，这将极大地提高柔性和可拉伸传感器的性能和应用，应用于人机界面、假肢、光电子、机器人和可穿戴生物传感平台。
    文献链接Surface Wrinkling for Flexible and Stretchable Sensors, DOI:   10.1002/smll.202203491https://doi.org/10.1002/smll.202203491.