“柔性”的本质特征究竟是什么？

柔性电子通常以简单的承诺为卖点：曲面屏、轻量化太阳能电池，或能反复弯折而不损坏的可穿戴设备。但这种“柔性”在分子尺度上究竟呈现为何种形态？又会如何影响性能？

由剑桥大学领衔的研究团队表示，他们已迈出回答这一问题的第一步。研究人员利用超高灵敏度的原子力显微镜（一种通过“触感”来探测材料的技术），测量了柔性半导体分子在紧密堆积时的刚度，测量精度可达到仅数个分子的尺度。

相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。研究首次提供实验证据表明：单个分子的机械刚度会影响材料整体刚度。未来，这项工作或将帮助科研人员判断柔性是否对未来柔性电子器件的速度与效率产生根本性限制。

与刚性且呈晶体结构的硅不同，有机半导体由碳基分子组成，这些分子可组装为柔软、可弯曲的固体。这种柔性对于可卷曲显示器和轻量化设备至关重要——但可能要付出代价。

剑桥大学卡文迪许实验室的 Deepak Venkateshvaran 博士是该研究的负责人，他表示：“硅电子器件之所以快速，部分原因在于硅结构具有高度刚性和有序性，电荷在其内部更易迁移。几十年来，我们在制造柔性电子器件时，并未从分子尺度层面明确‘柔性’的科学内涵，也未厘清其对材料导电性能是否产生影响。”

为探究这一问题，Venkateshvaran及其研究团队采用原子力显微镜（AFM）开展研究。该技术利用一根约10纳米宽的微型“针尖”轻压材料表面，以测量其抵抗形变的能力。

Venkateshvaran解释道：“这有点像用棍子探地。如果地面坚硬，棍子就会被顶回来；如果地面柔软，棍子就会陷下去。我们做的是同样的事情，只不过是在几纳米的尺度上——大约相当于几个分子的大小。”

通过精确控制AFM探针施加在有机半导体上的力，研究人员以前所未有的分辨率绘制了有机半导体薄膜中的刚度分布图谱。

该研究团队以一种名为DNTT的有机半导体为研究对象，该材料在柔性晶体管中应用广泛。他们将DNTT与几种结构相近的分子进行比较，这些分子均以相同的刚性分子核为基础，但连接了不同的化学“侧链”。

这些侧链的作用类似于分子填充层。当分子发生堆积时，更长、更柔软的侧链会拉开刚性分子核之间的间距，从而改变材料的结构以及其力学响应。

AFM 测量结果表明：当受到垂直于表面的压力时，侧链更长、更柔软的材料刚度更低。未取代的 DNTT 刚度最高，而带长侧链的衍生物明显更柔软。

Venkateshvaran指出：“人们长期假设引入柔性侧链会降低材料刚度，但此前从未在分子尺度对该效应进行直接测量。该效应非常细微，只有极其精细的实验才能观察到。”

随后，研究人员将实验数据与计算模拟进行对比。理论计算独立预测出：引入柔性侧链时，材料刚度会呈现相同幅度的下降趋势。

Venkateshvaran将结果比喻为砖墙：“传统研究聚焦于‘砂浆’，也就是将分子黏合在一起的弱相互作用。但我们的研究表明，‘砖块’本身同样重要。我们成功地区分了单个分子的贡献与分子间集体作用力，这在实验层面尚属首次。”

这一发现为机械性能的分子层级设计打开了新方向。如果科学家能够调控单个分子的刚度，则有望设计出具有特定力学或电子性能的材料。

Venkateshvaran补充道：“本研究结果尚未证实刚度对有机半导体的电子性能具有调控作用，但它首次为我们系统研究这一科学问题提供了实验工具。”

这些实验揭示了纳米尺度下材料柔性的本质特征，并证明其可以被可靠测量。从长远看，本研究通过明确材料柔性的临界阈值，有望指导更快、更高效的柔性电子器件设计。

Venkateshvaran表示：“柔性分子材料的导电性能可能存在无形障碍，如果我们弄清刚度与电荷转移之间的关系，或许就能找到突破这一限制的方法。”

本研究获得英国皇家学会、Wiener-Anspach 基金会及欧盟的部分资助。Deepak Venkateshvaran 现任剑桥大学塞尔文学院研究员。

原文链接：https://www.cam.ac.uk/research/news/what-does-flexibility-actually-look-like