摘要：柔性设备有望通过充当各种信号转换（如光学、电学和磁学）的重要智能接口，彻底改变信息科学。它们在电子皮肤、医疗植入物和生物智能等应用中至关重要。通常，这些器件由柔性基板和基板上的金属电子传输层组成。然而，与基板相比，金属层的柔性明显较低，这可能会导致异质界面失配

第一作者：Yingying Zhang

通讯作者：Peng Yang，Yongchun Liu

通讯单位：陕西师范大学

DOI: 10.1002/adma.202412378

柔性设备有望通过充当各种信号转换（如光学、电学和磁学）的重要智能接口，彻底改变信息科学。它们在电子皮肤、医疗植入物和生物智能等应用中至关重要。通常，这些器件由柔性基板和基板上的金属电子传输层组成。然而，与基板相比，金属层的柔性明显较低，这可能会导致异质界面失配，导致金属层的稳定性不足，进而影响电性能并缩短器件的寿命。因此，提高金属层在柔性基板上的粘附稳定性以防止界面分层是一个关键挑战。

增强柔性基板上电子传输层稳定性的重要方法是在导电层和柔性基板之间施加粘合层。目前，各种合成聚合物（例如聚乙烯醇粘合剂、环氧树脂粘合剂、丙烯酸粘合剂、聚氨酯粘合剂和硅酮粘合剂）和生物大分子（例如淀粉、蛋白质、多糖和木质素）已被用作粘合层。然而，大多数传统粘合剂层通常会出现两种粘合失效。如果粘合剂的本体粘结强度大于其界面粘结强度，则会在界面处发生失效，而如果粘结强度较小，则会发生在本体粘合剂层中。由于这些粘合剂层的厚度通常在微米到毫米的范围内，这些厚的粘合剂层很容易积聚大量的体缺陷，从而削弱界面粘合强度。此外，由于依赖于弱分子间力，这些厚层中的内聚力通常很弱。值得注意的是，在单一粘合剂体系中，界面粘附力和内聚力经常相互权衡。因此，解决粘附力和内聚力之间的竞争以防止导电层的粘附失效仍然是一个关键挑战。

本文亮点

1. 本工作提出了一种通过二硫键减少蛋白质聚集合成的超薄蛋白质纳米膜（UPN），作为增强聚合物基底和金属涂层之间粘附性的强粘附层。与微米级厚度的传统生物聚合物粘合剂不同，UPN层被最小化到纳米/单分子级。

2. 使用UPN作为粘合层，多功能金属涂层可以通过离子溅射可靠地粘附在柔性聚合物基板上，即使在重复的机械变形下也能提供前所未有的粘附稳定性。

3. 这种设计的应用包括可逆透明度控制、张力响应加密、可重复使用的光学传感和可穿戴电容式触摸传感器。

图文解析

图1. a）传统粘附+内聚力和b）超薄蛋白质纳米膜粘附模型之间的示意图区别。

图2. 蛋白质纳米薄膜的制备和表征。a） 用UPN修改PDMS的过程示意图。b） 反应时间控制了蛋白质纳米膜的厚度（在硅片上）和粗糙度（在云母上）的演变。c） AFM和TEM图像显示了UPN和云母上多层纳米薄膜的形态和结构。d） 石英玻璃上典型UPN和多层纳米薄膜的透射率，插图显示了PDMS基材上五角星形UPN改性的光学图像，显示了亲水性。e） 天然BSA、UPN和多层纳米膜的CD光谱。纳米膜厚度值标记在（a，c，e）中。

图3. 不同厚度蛋白质纳米膜的稳定性。a） 3M胶带剥离前后硅片上蛋白质纳米膜的厚度变化，以及3M胶带剥离后PDMS基板上相应的b）LSCM和c）SEM图像。黄色虚线环绕着剥离后的纳米薄膜的残留区域。d） 离子溅射Au涂层示意图和TEM图像显示了90秒离子溅射后Au颗粒的典型结构。e）时间演变，描绘了通过椭圆偏振仪测量的硅上Au涂层的厚度变化。右侧的光学图像显示了金涂层（90秒离子溅射）在暴露于极端pH值、有机溶剂、蛋白酶、表面活性剂和还原剂2小时后的稳定性，然后是3M胶带剥离，标尺为2 mm。f） 3M胶带剥离前后，用UPN和多层纳米薄膜改性的PDMS表面上的Au涂层的粘附横切测试和相应的g）光学图像的图示，比例尺为2 mm。h） 180°剥离试验和相应i）用UPN和多层纳米薄膜改性的PDMS表面上Au涂层的剥离强度的图示。纳米膜厚度值标记在（a，b）中，Au涂层厚度值标记为（e）中。

图4. a） 使用AFM Au探针进行粘附测试的示意图。b） 用Au探针测量的UPN和云母上多层纳米薄膜的粘附力的力图和曲线（插图）（图中标记的厚度值）。c） Au探针与经UPN和多层纳米膜改性的PDMS和云母的粘附性的统计分析（图中标记的厚度值）。d） 蛋白质纳米膜上的官能团及其与表面的相互作用的示意图。e） UPN和云母上多层纳米薄膜的杨氏模量图（图中标记的厚度值），比例尺为200 nm。f） 不同厚度蛋白质纳米薄膜的粘附机制示意图。

图5. 基于PDMS/UPN/Au的机械智能窗口和可隐藏加密设备。a） 说明智能窗口和加密设备设计的示意图。b） SEM和AFM高度图像显示了Au涂层的厚度和形态。c） 拉伸后PDMS/UNP/Au的光学显微镜图像。d） 3 M胶带剥离后PDMS/UNP/Au和PDMS/Au基智能窗口的性能和稳定性。e） 3 M胶带剥离后PDMS/UNP/Au和PDMS/Au基机械可揭示加密器件的性能和稳定性。

图6. 基于PDMS/UNP/Au的可重复使用SERS传感器。a） SERS传感器原理图。b） SEM和AFM图像显示了PDMS/UNP/Au器件的形态和高度。c） 显示超声处理前后PDMS/Au和PDMS/UNP/Au器件形态的光学图像。d） 循环清洗过程中PDMS、PDMS/Au和PDMS/UNP/Au SERS传感器上R6G分子的拉曼光谱。e） 弯曲试验示意图。f） PDMS/UNP/Au SERS传感器上R6G分子在1000次弯曲测试期间的拉曼光谱。g） 拉伸试验示意图。h） 在1000个循环的拉伸测试期间，PDMS/UNP/Au基器件上R6G分子的拉曼光谱。

图7. 基于PDMS/UNP/Au的柔性触觉传感器。a、 b）在3M胶带剥离前后，PDMS/Au和PDMS/UPN/Au传感器对裸露手指接触的瞬态电容响应。c） 柔性触觉传感器经过拉伸、折叠、扭曲和附着在皮肤上的光学图像，展示了其在各种机械和可穿戴条件下的性能。d） PDMS/UNP/Au传感器在拉伸、折叠和扭转1000次后对手指触摸的瞬态电容响应。e） 示意图说明了收集手指触摸引起的电容变化信号以集成到MCU中的原理。f） 基于触觉传感器和MCU的机器人手臂控制系统示意图。g） 由点触觉传感器控制的具有不同手势的机器人手臂的光学图像。

来源：华算科技