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纳米技术如何帮助实现柔性和可穿戴电子产品
纳米技术如何帮助实现柔性和可穿戴电子产品
柔性和可穿戴电子领域是两个增长迅速并正在扩展到许多行业的领域，一些应用程序采用了既灵活又可穿戴的设备。在许多情况下，可穿戴电子设备——尤其是新设备——将灵活适应用户需求。不管应用如何，这两个——如果你包括那些既灵活又可穿戴的应用的话——由于多年来纳米技术的进步，已经以目前的形式出现。如果没有高效制造方法的进步，那么许多柔性和可穿戴设备将无法实现，因为没有任何材料可以执行所需的功能。
纳米技术是如何推动这些进步的
要在可穿戴和柔性电子产品中使用，材料必须具备许多先决条件。最明显的是，它们必须既薄又高度灵活。如果它们不薄，它们将无法有效弯曲并且容易发生应力断裂。然而，一些薄的材料不灵活，这些也没有用。虽然它们可用于某些可穿戴设备，但当今的许多设备都需要以一种或另一种方式满足用户的需求。总体而言，本质上具有柔性的电子产品必须坚固耐用，并且能够在各种弯曲和扭转应力下抗断裂。
还有另外两个非常有益但依赖于应用程序的属性。所讨论的两个特性是高导电性——随后是高电荷载流子迁移率——和高光学透明度。对于许多传感器和监测应用，需要高电导率，因为当材料因局部环境中的刺激而发生变化时，它会通过设备中传感材料的电导率变化来检测 - 这是柔性/可穿戴传感器中的纳米材料。另一方面，光学透明度与其他应用更相关，在这些应用中，光需要能够穿过器件或器件的一部分。柔性屏幕是此类应用的一个示例。
没有多少材料表现出所有这些特性。值得庆幸的是，纳米技术的出现和进步产生了许多具有大部分（如果不是全部）这些特性的材料。没有其他明确的材料领域——从有机分子到固态无机复合物和微制造——可以生产出特性与这些设备的需求如此吻合的材料，这就是纳米技术在商业实现中发挥重要作用的原因。这些设备。有; 然而，使用柔性有机分子（即聚合物材料）生产柔性电子产品的运动日益增长，但它们目前在效率方面落后于纳米材料。尽管如此，这是一个正在缓慢增长的领域。这主要是因为这些有机电子产品中的大部分都是可印刷的，
纳米技术一直处于开发这些电子产品的最前沿还有另一个原因，那就是因为许多纳米材料是可调的，它们的特性是可调的，并且制造过程是可调的。换句话说，纳米材料的局部结构可以在整个合成过程中改变和定制，或者它们可以在形成后进行掺杂和功能化。所有这些因素都会改变纳米材料的特性，以满足应用的特定要求。这种可调性使纳米材料成为许多不同柔性和可穿戴电子系统的通用构建块。
然而，纳米材料的加入并非没有挑战。碳纳米管 (CNT) 是最早进行试验的纳米材料之一，但在分散和排列 CNT 方面存在一些问题。从那时起，碳纳米管问题已经解决，但该行业已转向使用其他纳米材料，即不同的 2D 材料。虽然二维六方氮化硼和过渡金属二硫属化物 (TMDC) 材料已用于柔性电子产品，但石墨烯表现出最大的希望并被广泛利用。造成这种情况的原因有很多，但简而言之，石墨烯可以满足柔性和可穿戴电子产品的每一个特性需求：
它具有任何材料中已知最高的导电性和电荷载流子迁移率。
它是一种高度柔韧的单层材料——随着层数的增加，它的柔韧性会降低。
它的光学透明度为 98.7%，这意味着它可用于制造高度透明的设备。
它具有极高的抗拉强度。
它对高温、高压和腐蚀性化学环境具有非常高的稳定性。
在这个领域需要注意的其他关键材料包括纳米线和量子点，因为它们有可能被整合到柔性和可穿戴电子设备中并带来独特的特性。
重点应用领域
柔性电子产品在两个主要领域已经找到了商业用途——或者至少正在筹备中。它们是柔性太阳能电池和柔性触摸屏。就商业上发现的柔性屏幕而言，目前处于领先地位的是有机发光二极管 (OLED)（在另一种材料之上的有机分子薄膜），但公司开始研究结合量子点的可能性进入 OLED 设备。此外，现在可以使用多个使用石墨烯的柔性屏幕，其中石墨烯和聚合物层彼此堆叠。据说第一款使用石墨烯的商用“完全可折叠”智能手机和笔记本电脑最快可能在明年面世。
就采用纳米材料的太阳能电池而言，其效率正在提高。虽然它们的效率不如其他一些太阳能电池高，但可以使用纳米材料使它们变得灵活。因此，它们可以符合建筑物的几何形状，这使它们能够捕获更多来自太阳的光子。因此，它们的能量转换效率可能没有那么高，但它们有可能捕获更多可以转化为电能的光子。此外，另一个增长领域是将纳米材料制成墨水形式，在那里它们可用于制造可印刷的太阳能电池。
使用可穿戴和柔性电子设备原理的关键领域之一是用于诊断、健康监测和运动监测的医疗传感器。柔性电子产品使用纳米材料，因此它们可以贴合皮肤的形状并充当传感器。在某些情况下，它们可以留在患者身上并通过物联网 (IoT) 进行远程监控。
每个应用程序都使用纳米材料的不同特性，以定制的方法用于特定用途。随着制造方法的进一步发展，将会有更多灵活和可穿戴的电子设备进入市场。
总体而言，纳米材料在制造和特性定制方面的改进有助于柔性和可穿戴电子领域的发展。就目前而言，学术界有许多应用程序正在试验中。鉴于目前纳米材料的进步速度，不久之后这些进步将进一步实现到更商业化的柔性和可穿戴电子设备中。