下一代皮膚發(fā)光顯示器應(yīng)該是柔軟、有彈性和明亮的。在美國斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系主任、K. K. Lee特聘教授鮑哲南看來，盡管這類研究在當(dāng)下已非常“時(shí)髦”，但真正具有可重復(fù)拉伸性和低剛度的可伸縮顯示器仍然缺乏。?

當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月23日，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了鮑哲南團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究，他們在發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)造彈性發(fā)光聚合物的突破性方法后，開發(fā)出了高亮度、有彈性的彩色顯示器。其最大亮度至少是手機(jī)的兩倍，拉伸到原來長度的兩倍時(shí)也不會(huì)撕裂。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究或標(biāo)志著高性能可拉伸顯示器的重要進(jìn)展，這種可伸縮顯示器，或?qū)氐赘淖內(nèi)祟惻c電子設(shè)備的互動(dòng)方式。

現(xiàn)年52歲的鮑哲南于1995年獲得美國芝加哥大學(xué)博士學(xué)位。2016年，她創(chuàng)立了斯坦福大學(xué)可穿戴電子中心并任主任，同年當(dāng)選為美國國家工程院院士，2017年當(dāng)選為美國國家發(fā)明家學(xué)會(huì)會(huì)士，2021年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。

斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系主任、K. K. Lee特聘教授、中國科學(xué)院外籍院士鮑哲南。

研究團(tuán)隊(duì)提到，大多數(shù)發(fā)光聚合物都是堅(jiān)硬的，在拉伸時(shí)也會(huì)開裂。為了將剛性顯示器轉(zhuǎn)換為可伸縮的結(jié)構(gòu)，截至目前科學(xué)界已經(jīng)報(bào)道了多種策略，包括將剛性納米結(jié)構(gòu)嵌入彈性聚合物基體的納米復(fù)合材料等。

然而，在增加了彈性的同時(shí)，這些顯示器必須犧牲設(shè)備性能、可擴(kuò)展性或分辨率。比如，導(dǎo)電性會(huì)降低，這就要求使用危險(xiǎn)的更高電壓來產(chǎn)生微弱的光。

研究團(tuán)隊(duì)也看到，從另一方面來說，可伸縮的聚合物材料即使在高器件密度下也保持可伸縮。因此，全聚合物發(fā)光二極管(APLEDs)具有驅(qū)動(dòng)電壓低、亮度高、響應(yīng)時(shí)間快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，將成為皮膚樣顯示器的理想策略。然而，出于多種原因，這樣可伸縮的APLEDs此前一直沒有實(shí)現(xiàn)。

鮑哲南團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究始于三年多之前。其團(tuán)隊(duì)的博士后、該研究的第一作者張智濤發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“SuperYellow（SY）”的黃色發(fā)光聚合物，當(dāng)引入一種有彈性的塑料，即聚氨酯（PU）與其混合時(shí)，不僅變得柔軟柔韌，還能發(fā)出更亮的光。

斯坦福大學(xué)張智濤展示了該材料的彈性，可伸展至2倍長而不會(huì)損壞撕裂。(00:07)

在斯坦福大學(xué)發(fā)布的新聞稿中，張智濤說，“如果加入聚氨酯，我們會(huì)看到SY形成納米結(jié)構(gòu)。”他進(jìn)一步稱，“這些納米結(jié)構(gòu)非常重要。它們使脆性聚合物可伸縮，并使聚合物發(fā)出更亮的光，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)像魚網(wǎng)一樣連接在一起。”

值得一提的是，與此前哪些添加橡膠等策略不同的是，使SY具有彈性的納米纖維網(wǎng)絡(luò)不會(huì)抑制電流，而這是開發(fā)一種明亮顯示器的關(guān)鍵。

具備了可伸縮的發(fā)光聚合物后，研究團(tuán)隊(duì)還需要將電子顯示屏的其余成分組合在一起。鮑哲南解釋說，找到合適的材料真的很有挑戰(zhàn)性。“在電子性能方面，它們必須相互匹配，才能帶來高亮度。但是，它們也需要有類似的良好的機(jī)械性能，以允許顯示可伸縮。最后，在制作過程中，張智濤必須找到一種方法，將各層堆疊在一起，這樣才不會(huì)降低亮度。”

最后的顯示器包含7層。兩個(gè)外層是封裝設(shè)備的兩個(gè)基板。再往里是兩個(gè)電極層，然后有電荷傳輸層。最后，發(fā)光層被夾在中間。

當(dāng)電流通過顯示器時(shí)，一個(gè)電極向發(fā)光層注入正電荷，而另一個(gè)電極向發(fā)光層注入負(fù)電荷。當(dāng)這兩種電荷相遇后，它們會(huì)相互作用并進(jìn)入能量激發(fā)態(tài)，緊接著就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光子，多個(gè)光子聚集成明亮的光。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)最終制備了紅色、綠色和藍(lán)色的可拉伸全聚合物發(fā)光二極管，具有高亮度（7450 cd/m2）、電流效率（5.3 cd/A）和可拉伸性（約100%）。

為了使制備的全聚合物發(fā)光二極管可以貼在人體皮膚上進(jìn)行長時(shí)間工作，研究團(tuán)隊(duì)還使用了一種靈活的無線能量采集系統(tǒng)，通過無線電波為全聚合物發(fā)光二極管供電，并證明在皮膚上能跟上人類心跳節(jié)拍，顯示實(shí)時(shí)脈搏信號(hào)。

“可伸縮顯示器可以實(shí)現(xiàn)一種新的人機(jī)交互方式。”鮑哲南看到了未來多種潛在用途，它可以用來制作可變形的交互屏幕，甚至可以在地圖上形成三維景觀，“想象一下，在屏幕上，你可以看到和感受到三維物體。”她認(rèn)為，這將是一種全新的遠(yuǎn)程互動(dòng)方式。

關(guān)鍵詞：