柔性電子器件能夠連續監測多種生物物理信號（例如心率、血壓、體溫）和生化信號（例如體液中的離子和代謝物）。先進材料的研發促進了柔性電子器件的發展，包括導電聚合物、納米材料、水凝膠、液態金屬和有機半導體。由上述材料構建的柔性電子器件減輕了與生物組織之間界面的機械不匹配，從而擴展了模態并提高了傳感的保真度。然而，柔軟的特性使其難以與傳統電子器件連接。近年來，研究人員提出了各種方法，包括聚合物/金屬納米結構、可拉伸各向異性導電薄膜，以及機械互鎖微橋結構等，來實現柔性電子器件的無焊快速互連，但這些互連是不可逆的，導致柔性電子器件的功能、靈敏度、空間分布等特征固定，缺乏可重構性。

為了解決上述問題，北京大學未來技術學院韓夢迪課題組開發了磁性導電復合材料（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite，HMGN），其工藝流程包括激光誘導石墨烯、釹鐵硼/聚二甲基硅氧烷混合物剝離轉移和后續磁化。釹鐵硼顆粒滲透到多孔結構中形成磁性導電復合材料，并展示出了優異的機電性能以及磁性和生物兼容性（圖1）。近日，該成果發表在Advanced Materials上，題為“Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics”。北京大學未來技術學院博士生項澤華為論文第一作者，韓夢迪為論文通訊作者。

圖1: HMGN的制備與表征

基于該材料，研究團隊制備了多模態傳感，包括伏安法電化學傳感、電生理傳感以及溫度傳感，并研究了磁顆粒和磁疇對傳感性能的調節。對于伏安電化學傳感，磁性粒子通過磁流體動力和微磁流體動力作用，在極小尺度上施加洛倫茲力誘導對流，促進快速的氧化還原反應和電子轉移。對于電生理傳感，摻雜NdFeB顆粒增強了復合材料的親水性，減少氣隙和增強表面潤濕，從而降低界面阻抗。對于溫度傳感，磁性顆粒內部電子的熱運動以及磁疇的熱運動協同作用增強靈敏度（圖2）。

圖2: HMGN用于增強的多模態傳感

此外，還提出基于HMGN的可逆、自對準的電學連接。有序的磁疇允許HMGN傳感器自組裝到具有磁性和導電互連的HMGN襯底上或從襯底上分離。傳感器和襯底中的磁顆粒呈相反極性相互吸引，形成從傳感器N極到襯底S極的連續導電路徑。HMGN傳感器和襯底的磁性吸引力在界面處形成了無縫連接。界面的電流-電壓曲線表明其歐姆接觸。與其他互連技術(如導線粘合和導電膠)相比，由磁吸形成的互連是可逆的和自對準的，不需要外部壓力或加熱（圖3）。

圖3: HMGN用于可逆、自對準的電學連接

利用基于HMGN的多模態傳感以及可逆、自對準的電學連接，測量了健康人體的心電圖、皮膚阻抗、皮膚溫度以及汗液中離子和代謝物的濃度，展示了基于HMGN的柔性電子器件的多模態可重構，包括可重構的靈敏度、空間分布和傳感模態。

圖4: 基于HMGN的可重構柔性電子

總之，HMGN可以實現柔性電子的重構，用于各種生物醫學應用，在協助診斷和治療許多人類疾病方面具有潛力。其進一步的發展包括擴展HMGN的傳感模態，以針對更多樣化的物理和生化條件；改進自對準互連，以協助在大范圍內組裝小型設備；以及開發完全集成的可重構柔性電子，包括前端傳感模塊和后端電路模塊。

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https://doi.org/10.1002/adma.202308575

審核編輯：劉清