基于直立纳米线的弹性导体的制作方法

本发明涉及弹性导体和其制造的领域。

在一个形式中，本发明涉及适合于用作传感器的可变形膜。

在一个特定方面，本发明适合于在范围从机器人上的电子皮肤到可佩戴健康监控器的广泛范围的技术和应用中使用。

将方便的是，下文关于人类生物参数的测量来描述本发明，然而，应了解，本发明不仅限于那个用途，且可应用于广泛范围的医疗(包括兽医)及非医疗用途，包括工业用途。

背景技术：

应了解，包括在本说明书中的文件、装置、动作或知识的任何论述以解释本发明的上下文。另外，贯穿本说明书的论述是归因于发明人的认识和/或发明人对某些相关技术问题的识别而发生。此外，包括在本说明书中的诸如文件、装置、动作或知识的任何论述以按发明人的知识和经验来解释本发明的上下文，且因此，不应将任何此论述看作承认在本文中的公开内容和权利要求书的优先权日期之时或之前，任何材料形成在澳大利亚或其它地方的现有技术基础的部分或相关技术中的常识。

软电子器件需要伸展性与传导性的无缝组合，这可外在地(例如，通过连续金属膜的膨胀设计)或内在地(例如，通过使用纳米材料)达成。前者是通过设计伸展的结构来达成，且后者是通过设计伸展的新颖材料来实现。任一策略涉及软/硬材料界面的设计，归因于材料不匹配，其倾向于失败地导致分层和/或裂缝。包括金属、半导体、碳和传导聚合物的活性材料的杨氏模数典型地比弹性体聚合物或皮肤的杨氏模数高几个数量级。

前述问题可通过使用基于液体的活性材料(诸如，镓-铟合金或离子液体)来规避。然而，基于液体的系统典型地需要通道中的封装，从而防止其在第二皮肤状薄的可佩戴和可植入装置中使用。此外，高的表面张力和不良传导性也位列限制当中。创造下一代电子装置将需要引入新的特征，包括内在伸展性、自修复、生物降解性、不可见性、超薄和容易大规模处理技术。

具有内在伸展性的传导性材料是用于多个应用中的可伸展电子器件的理想潜在候选者，诸如，软机器人、生物医疗/可植入装置、可伸展发光显示器和其它曲线系统需要具有在宽泛拉伸应变的范围上的高且可逆传导性的材料。举例来说，电子皮肤(e皮肤)是以一或多种方式模仿人类皮肤的性质中的一些(诸如，其对压力和温度的敏感性)的新类别的先进材料。电子皮肤必须薄、可伸展且足够稳固，使得其可被按压、弯曲、扭转和伸展，同时维持杰出的光电子响应，且将为未来可佩戴电子器件中的关键组件。电子皮肤在其在类人机器人、保健、可佩戴电子器件和生物医疗监控中的应用中正在迅速发展。许多现有技术电子皮肤是通过将材料层压在一起以制作具有所要的性质的超伸展性电子器件来创造。

此类材料和装置原则上具有不需要复杂结构工程设计或光刻的优势。内在可伸展导体的最为熟知的实例是在软材料中封装的液体金属(例如，镓铟合金)(joshipura等人，材料化学期刊c3，3834-3841(2015)；zhu等人，先进功能材料23，2308-2314(2013)；mohammed和kramer，先进功能材料23，2308-2314(2013))。然而，自发地在这些液体的表面上形成的高表面张力且钝化氧化物皮肤阻碍其在常规技术中的应用。此外，离子导体也已经用于内在可伸展传导性组件，但罹患不良的传导性(keplinger等人，科学341，984-987(2013)；ma等人，acs传感器1，303-311(2016))。

在另一实例中，wo2014/165908(cheng等人)描述一种用于在感测物理力时使用的装置，包括第一支撑层、涂布有超薄传导性层(诸如，纳米粒子、纳米线或纳米绳)的柔性层、集电器和第二支撑层。然而，所述装置可仅执行压力感测，因为需要施加压力来使超薄层与电极接触。

现有弹性导体可外在地(例如，通过连续金属膜的膨胀设计)或内在地(例如，通过使用纳米材料)达成。任一策略罹患当经受高和/或重复性应变时在软/硬材料界面处有分层和/或裂缝的缺点，这限制了当前系统的长期耐久性。

已作出努力来通过实施纳米级渗滤网络改善伸展性和传导性，例如，在弹性体基质上或嵌入于弹性体基质中的纳米线(xu和zhu，先进材料24，5117-5122(2012)；gong等人，先进电子材料1(2015)；和gong等人，自然通信5，(2014))或碳纳米管(sekitani等人，自然材料8，494-499(2009)；lipomi等人，自然纳米技术6，788-792(2011)；yamada等人，自然纳米技术6，296-301(2011))。尽管有一些令人鼓舞的进展，但这些薄膜或复合物在大的应变下常经历材料分层或开裂(lee等人，先进材料24，3326-3332(2012))，其导致巨大的渗透传导性损失。高伸展性将需要外在结构设计组合膨胀或预应变技术。

此外，现有技术的制造方法通常复杂且耗时。其包括浸涂、直写(jason等人，acs应用材料和界面7，16760-16766(2015)；liz等人，先进功能材料26，165-180(2016))、meyer棒涂(jia等人，acs应用材料和界面8，9865-9871(2016))、转印(hong等人，先进材料27，4744-4751(2015)；jang等人，当前应用物理16，24-30(2016))和旋涂(mcalpine等人，自然材料6，379-384(2007))。

因此，规避上述限制的高性能弹性导体处于需求当中。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种改善的电子导体。

本发明的另一目标是提供一种制造弹性导体的经济方法。

本发明的再一个目标是减轻与相关技术相关联的至少一个劣势。

本文中描述的实施例的目标是克服或减轻相关技术系统的以上指出的缺点中的至少一个，或至少提供对相关技术系统的有用替代。

在本文中描述的实施例的第一方面中，提供一种弹性导体，其包括：

弹性体衬底，和

纳米线阵列，

其中所述纳米线相对于所述衬底的表面是直立的。

纳米线的结构常根据合成的方法而变化。举例来说，如果在合成中使用配位体壳，那么所述结构可具有纳米粒子头，其包括典型地为极性的纳米粒子“头”基团，和疏水性的纳米线。举例来说，当au(i)由油胺配位时，这是真实的。通过自组合相互附着的极性(-nh2)基团且当疏水链在垂直方向上形成时形成一种芯，油胺分子形成反向胶束结构。

阵列可替代地包括其它头/尾纳米线配置、多个层(例如，双层或单层纳米架构)和诸如楼梯状纳米阵列的构象。举例而言，阵列可为双层，两个层头对头、头对尾或尾对尾地朝向。

每一阵列可具有展现不同物理或化学性质的至少两个区域。在本发明的优先实施例中，阵列的大多数纳米线具有邻近衬底的表面的尾(第一区域)，和形成弹性导体的表面的‘自由’头(第二区域)。在本发明的另一个不太优选实施例中，阵列的大多数纳米线是按其头邻近衬底的表面来朝向。

本发明的导体展现诸如高内在伸展性的特性，而无对外在结构设计的需求。此外，典型地，第一区域与第二区域具有关于导电、与光相互作用和与水相互作用的不同特性。

典型地，纳米线包括贵金属，诸如，金。

弹性体衬底典型地为基于硅酮或基于碳的聚合物。弹性体衬底的具体选择将主要取决于应用。

优先地，弹性体衬底是选自包括以下各物的群组：呈膜或细丝或其它方便配置的形式的聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、硅酮和聚氨基甲酸酯。

举例来说，当弹性导体希望用于用作电子皮肤或传感器邻近皮肤时，优先弹性体衬底可为硅酮弹性体，其为具有20-30μm的厚度的可模制皮肤纹理膜。举例来说，诸如在商标名下出售之硅酮或在商标名下出售之铂催化的硅酮的硅酮特别优选，但其它硅酮将为所属领域的技术人员已知。在本发明中使用的弹性体衬底的优选特性包括在室温下固化的能力，具有可忽略的收缩率和低粘性。在固化后，弹性体展现柔软性、强度且非粘性表面的特性。其可在不撕开的情况下伸展多次到其原始面积，并且然后不失真地回弹到其原始形式。

不希望受到理论约束，弹性体的变形被转化成导电率的改变，因为直立纳米线被捆束在一起或作为变形的结果而分离。这是包括纳米线的传感器的关键功能性，并且使其能够提供其贴附到弹性体衬底的变形的高敏感性措施。

直立纳米线的使用将本发明与包括处于弹性体衬底的表面上的纳米线的现有技术的基于纳米材料的弹性导体区分开来。明确地说，优选地，第一区域包括直立金属纳米线的自由端(“头”)，且表现为块体金属。相反地，第二区域包括贴附到衬底的“尾”，且表现为不连续纳米相。因此，第一区域亲水，而第二区域疏水；第一区域像块体金一样反射光，而第二区域是宽带超吸收体；第一区域不太传导，但却具有可调谐电阻。

虽然已知关于刚性电子装置的制造的直立纳米线，但其先前尚未用于弹性导体。举例来说，us20140234157(chen等人)教导一种用于将贵金属纳米粒子附着到刚性衬底且通过使纳米粒子与包括配位体(具有硫醇基的有机化合物)贵金属离子和还原剂的水溶液接触来‘生长’纳米线的方法。

相反，本发明的弹性导体展现当伸展、弯曲和按压时的不寻常机械电子性质。已展示具有尾结合的纳米线的根据本发明的弹性导体能够伸展到～800％，而不失去传导性。这是具有头结合的纳米线的等效导体的约10倍大。此外，后者比对应的尾结合的纳米线弹性导体对弯曲力和点载荷敏感。

因此，在本文中描述的实施例的另一方面中，提供一种制造本发明的弹性导体的方法，所述方法包括以下步骤：

使弹性体衬底的表面官能化，

在所述官能化的表面接种颗粒贵金属，和

从所述颗粒贵金属生长直立纳米线。

在特别优选实施例中，所述贵金属是金。

官能化是将化学官能团引入到弹性体衬底的表面的动作，且赋予与那些原始发现的特性不同的物理、化学或生物特性。在优选实施例中，使所述弹性体衬底的所述表面官能化的步骤包括等离子预处理。举例而言，在预期附着诸如氨基的官能部分时，o2等离子预处理可改善表面的亲水性。典型地跟有硅烷化步骤。通过共价地结合官能部分(通过稳定的硅碳键)，可通过变化有机基团随意地定制弹性体的表面特性。

官能化的衬底可然后通过吸收到表面上的金属种来接种。所述种典型地在大小上是数纳米(例如，在2nm与10nm之间)。然后可使膜浮动到包括贵金属前驱物、表面活性剂和还原剂的生长溶液的表面上，其中官能化的侧面向溶液以促进直立纳米线的均匀生长，而无任何沉淀物的形成。

纳米线的长度由膜与溶液接触的时间的长度(‘生长时间’)控制。较长的生长时间导致较长的纳米线，但最大的长度倾向于在约20分钟内达到。使用这制造方法，可获得具有高达约14微米的可调谐长度的纳米线，与在现有技术(wang等人，acs纳米：2733-2740(2013))中的教导相比，这个长度较长。纳米线与具有约1.09×10⁴微米/平方米的典型密度和约7.8+/-1.7nm的直径的弹性体的表面正交地直立。

在优选实施例中，本发明的弹性导体包括基本上封装直立纳米线的至少部分的再一个弹性体层。这提供特别稳固的弹性导体，其在经受界面摩擦和其它物理应力时抵抗剥离和分层。当在硅上生长纳米线时，其可升起，从而形成自由直立的膜，从而实现多样的头/尾纳米线配置和多层纳米架构的构造。甚至可通过掩模辅助式步骤生长来生长楼梯状纳米线膜。

因此，提供一种制造本发明的弹性导体的方法，所述方法包括以下步骤：

使基底衬底的表面官能化，

在所述官能化的表面接种颗粒贵金属，

从所述颗粒贵金属生长直立纳米线，

将弹性体衬底施加到所述基底衬底，使得所述直立纳米线至少部分嵌入于所述弹性体衬底中，

使所述基底衬底与弹性体衬底分离，和

使嵌入于所述弹性体衬底中的所述纳米线进一步生长。

所述基底衬底典型地是诸如硅晶片的刚性衬底，其可易于在准备纳米线生长时官能化。还重要地是，所述基底衬底可易于与所述弹性体衬底分离。

不希望受理论约束，相信机械感测通过相邻高纵横比纳米线之间的有效接触实现。可将纳米线阵列中的微小位移解译为响应于外部刺激的电阻的改变。

阶层式纳米线结构还允许具有最小滞后的超快响应，其展示为对现有技术的其金属纳米线对应部分有利，现有技术的其金属纳米线对应部分使用平面几何形状，诸如，在以下中描述的几何形状：ho等人，材料研究期刊29，2965-2972(2014)；cheng等人，材料化学期刊c2，5309(2014)；chou等人，acs应用材料和界面8，6269-6276(2016)；和lee等人，纳米级研究快报10，27(2015)。

注意，现有技术的常规金属薄膜，不管是在连续体相中还是在不连续的渗透纳米相中，不具有在正交方向上的梯度结构，且因此在膜的任一侧上展现相同的材料性质。相反，本发明的弹性导体能够导电，并且与第二区域相比，在纳米线阵列的第一区域中以严格不同的方式与光和水相互作用。

不受理论约束，相信这个性状是归因于包括头和尾的独特的金针菇(“蘑菇”)状纳米线结构，从而使阵列纳米线的第一区域表现为块体金属，而第二区域表现为不连续纳米相。举例来说，第一区域可为亲水性的，而第二区域可为疏水性的。第一区域可反射光，而第二区域可为宽带超吸收体。第二区域可不太传导，但具有可调谐电阻。重要地，根据本发明的弹性导体展现当伸展、弯曲和按压时的不寻常机械电子性质。

其它方面和优选形式公开于说明书中和/或在所附权利要求书中定义，从而形成本发明的描述的部分。

基本上，本发明的实施例源自以下认识：直立纳米线阵列可充当弹性导体，从而导致观测到的优越性能。明确地说，已认识到，虽然纳米线实质上垂直，但其也是按以便在纳米线阵列的不同区域中提供侧向传导性和与光和水的不同相互作用的此方式连接，并且这些是这些材料的重要特征。

由本发明的电子皮肤提供的优势包括以下：

高内在伸展性和耐久性，而不需要外在结构设计；

可超薄且超轻；

对应变和压力都高度敏感；

良好的长期稳定性；

大的可使用应变范围和检测低静态压力的能力；

具有最小滞后的超快响应时间；

机电可调谐性，

比较快且简单的制造，

可使用可易于按比例增加的简单且高效工艺制造；

可用于大量应用。

适合于本发明的电子皮肤的应用包括以下：

用于包括心率、呼吸率和血压的生物功能的医疗和健身监视器，

用于响应于刺激而控制生物功能的生物医疗可植入装置，

诸如隔膜替换的生物医疗修复术，

高性能、逼真的电子皮肤，

软机器人和软电子器件，包括用于修复术的人工皮肤，

超电容器，

可伸展电子器件，

可伸展发光显示器和其它曲线系统，

可伸展输入接口，诸如，键盘/命令板，

用于工业工艺的智能传感器。

有利地，本发明允许昼夜不停地监视非扩散性方式的医疗和健身。

从下文给出的详细描述，本发明的实施例的适用性的另外范围将变得显而易见。然而，应理解，详细描述和具体实例当指示本发明的优选实施例时，是仅通过说明来给出，这是由于从这个详细描述，在本文中的公开内容的精神和范围内的各种改变和修改将变得对所属领域的技术人员显而易见。

附图说明

本发明的优选和其它实施例的另外公开内容、目标、优势和方面可由相关领域的技术人员通过参考结合附图进行的实施例的以下描述而更好地理解，所述附图只是通过说明来给出，且因此并不限制本文中的公开内容，且其中：

图1图示三个不同金膜的应变方案和特性——蒸镀的金膜(图1a、1b、1c)；在伸展释放过程期间的现有技术的平躺纳米线导体(图1d、1e、1f)和直立纳米线导体(图1g、1g、1i)；分别来自(图1a)电子蒸镀au膜、(图1d)平躺纳米线导体和(图1g)直立纳米线导体的横截面图的应变方案；分别通过在各种应变(从0％、300％且返回到0％)下的光学显微镜成像的(图1b)电子蒸镀au膜、(图1e)平躺纳米线导体和(图1h)直立纳米线导体的显微性状；分别在300％应变(ε)下的(图1c)蒸镀的金膜、(图1f)平躺纳米线导体和(图1i)直立纳米线导体的原子力显微术(afm)图像和高度曲线。直立金纳米线的高度是1.5μm。(比例尺：200m；所有光学图像具有相同分辨率。)

图2图示直立纳米导体的优异的伸展能力；(图2a)电子蒸镀au膜(1)、平躺金纳米线(3)与直立金纳米线(5)之间的伸展能力比较(伸展与释放)；(图2b)弹性导体中的本发明(星)与现有技术工作的比较。数据点是从以下论文提取：▲au纳米粒子(aunp)——kotov等人的研究(自然499，458-463(2013))；●ag纳米线(agnw)——和tybrandt的研究(small12，180-184(2015))；■ag纳米线(agnw)——xu和zhu的研究(先进材料24，5117-5122(2012))；◆碳纳米管(cnt)——bao等人的研究(自然纳米技术6，788-792(2011))；ag纳米粒子(agnp)——kim等人的研究(自然纳米技术7，803-809(2012))；au纳米薄片(auns)——jeong等人的研究(先进材料25，2707-2712(2013))；○ag片——someya等人的研究(自然通信6，7461(2015))；ag-cnt——someya等人的研究(自然材料8，494-499(2009))；ag碳纳米管(ag-cnt)——baik等人的研究(自然纳米技术5，853-857(2010))；填红的星，这研究(对应于a)；(图2c)在2000次循环伸展/释放到800％应变期间的弹性导体的传导性改变(●应变前；☆-应变后)。

图3图示具有不同高度(1.5μm、3.5μm、5μm、7μm和14μm)的金纳米线的弹性导体。来自(图3a)1.5μm、(图3b)3.5μm、(图3c)5μm、(图3d)7μm和(图3e)14μm金纳米线高度弹性导体的俯视图的sem图像(比例尺：200nm)；来自(图3f)1.5μm、(图3g)3.5μm、(图3h)5μm、(图3i)7μm和(图3j)14μm金纳米线高度弹性导体的横截面的sem图像(比例尺：1μm)；(图3k)在从2分钟到2小时的不同生长时间下的金纳米线对薄层电阻的高度；(图3l)朝向压力的不同弹性导体的对应的电响应(星-3.5μm；▲5μm；7μm；◆14μm)；(图3m)针对(自左至右)14μm、7μm、5μm、3.5μm和1.5μm，在600pa的压力下，以2hz的压力输入频率达20,000次循环的耐久性性能(纳米线高度：5μm)。使用在5kv的电压下操作的feiheliosnanolab600fib-sem进行sem成像。

图4图示分别对于新样本(7)、在1周后(9)、在7周后(11)、在25周后(13)和在40周后(15)，在无封装的情况下储存于环境温度下后的直立金纳米线的长期稳定电响应。(纳米线高度：1.5μm)。

图5图示分别在各种应变(从原始状态(图5a)、100％(图5b)、300％(图5c)、500％(图5d)、800％(图5d)且返回到0％(图5f))下通过光学显微镜成像的直立金纳米线导体的显微性状。比例尺：20μm。

图6图示根据本发明的直立金纳米线弹性导体的耐久性和稳定性性能。具体地说，其图示(图6a)以1hz的频率在25％应变下的60,000次循环测试(在六个测试中，每一个有10,000次循环)；(图6b)1-10次循环和59.990-60.000次循环的电阻改变的曲线，展示几乎完美的覆盖；纳米线高度：1.5m；(图6c和图6d)在于185％的应变下达60.000次伸展和释放循环并伴有表面形态的完全恢复(图6c、图6e)前和(图6d、图6f)后的弹性导体的sem图像。

图7展示在200％应变下分别特征是(图7a-图7d)1.5μm金纳米线高度和(图7e-图7h)7μm金纳米线高度的高度曲线的光学显微图像和对应的afm。纳米线的第一区域(31)与邻近衬底表面的第二区域(32)分开距离7μm。

图8图示(图8a)基于在不同扫描速率(0.02v/s(20)、0.05v/s(22)、0.1v/s(24)、0.2v/s(26)、0.5v/s(28)、1v/s(30))下的直立金纳米线的超电容器的循环伏安法(cv)曲线；(图8b)分别在0.1ma(32)、0.2ma(34)和0.5ma(36)的恒定电流下的超电容器的静电充电-放电曲线；(图8c)使用分别cv(38)和gcd(40)两者的超电容器的计算的面向电容。

图9图示(图9a)描绘对于高达250％的施加的应变和100mvs^-1的扫描速率的基于直立金纳米线的超电容器的cv曲线(0％、20％、40％、60％、80％、100％、150％、200％、250％)；(图9b)作为拉伸应变(在250％应变下，表示＞84％的最后一个点)的函数的超电容器的正交化的表面比电容；(图9c)在100mvs^-1的扫描速率下具有不同伸展循环(0、1、5、10、20、50、100、200次循环)的超电容器的cv曲线；(图9d)作为伸展循环的函数的正交化的表面比电容，每个点指示200％的拉伸应变。

图10图示(图10a)在1％、3％、5％、7％、15％、25％到30％的应变范围(自左至右)下的本发明的弹性导体的电阻改变的曲线；和(图10b)作为应变(1％-150％)的函数的仪表灵敏度。金纳米线高度：7μm。

图11图示在低和高压力范围下的动态压力响应；(图11a)是针对五个施加的压力(2.77pa(50)、5.58pa(52)、16.4pa(54)、26.7pa(56)和65.2pa(58))作为时间的函数的电流响应的曲线；(图11b)是针对70.8pa(60)、199.7pa(62)、335.5pa(64)、419.4pa(66)、520.3pa(68)、640pa(70)、762pa(72)、905.1pa(74)的施加的压力作为时间的函数的传感器的电流响应的曲线。压力输入频率：2hz，‘h’传感器大小：12.5mm-12.5mm，输入电压：1v；(图11c)图示对应于图11a和图11b中的曲线的人类腰脉冲波的实时监控；图11d是如在图11a和图11b中展示的一个特定波形的放大图。

图12是在弹性体上制造直立纳米线金膜的示意图，其中(图12a)图示弹性体衬底的薄膜的形成；(图12b)图示在等离子处理后在弹性体衬底的表面上具有氨基(带正电)层的涂层；(图12c)图示小柠檬酸盐稳定化的胶质金粒子(带负电)的附着；且(图12d)图示具有邻近衬底的表面的尾且通过将胶质金粒子与纳米线生长溶液接触生成的直立纳米线。

图13图示(图13a)展示直立金纳米线电子皮肤的高度柔性性质的相片；和(图13b)俯视图和(图13c)侧视图的sem图像。比例尺：500nm；(图13d)展示在聚氨基甲酸酯上生长的直立纳米线的相片；分别(图13e)低和(图13f)高分辨率的sem图像；(图13g)展示在柔性pdms衬底上生长的直立金纳米线且说明基于直立纳米线的导体的可图案化性质的相片；(图13h)在皮肤纹理的ecoflex衬底上的sna的光学显微镜图像。

图14图示封装的直立金纳米线导体(80)和未封装的直立金纳米线导体(82)的电响应。(纳米线高度：1.5μm)。

图15是在弹性体上的直立纳米线金膜的制造的再一个方法的示意图，其中(图15a)是硅晶片(100)，(图15b)是在官能化后且具有从表面生长的金纳米线(103)的硅晶片(100)，(图15c)图示将弹性体衬底(105)层添加到硅晶片(100)的表面的另外步骤：(图15d)图示弹性体衬底(105)，其中在已从硅晶片(100)的表面剥落弹性体衬底(105)后嵌入纳米线(103)；(图e)图示现有纳米线(103)的另外生长。

图16图示根据图15中描绘的方法生长的金纳米线。具体地说，所述图图示(a)在硅晶片上、(b)嵌入于pdms衬底中和(c)在被称为pdms的弹性体衬底上再生长的纳米线的光学图像，具有对应的sem图像(d、e、f)。

图17图示通过图12和图15中描绘的方法生产的纳米线的粘着性能：(a)描绘按照图12直接在弹性体衬底上生成的金纳米线；(b)描绘按照图15在硅晶片上生长且嵌入于弹性体衬底中的金纳米线；且(c)描绘按照图15在弹性体衬底上另外生长(再生长)的金纳米线。对应的图解d、e和f图示在已施加牌粘胶带和从导体a、b和c的纳米线覆盖表面去除所述粘胶带后的导体的性能。

图18图示具有不同厚度(图18a)～1.5μm、(图18b)～3.5μm、(图18c)～7μm和(图18d)～14μm的根据本发明的膜的sem图像的横截面图。

图19图示展示金纳米线的形态的横截面sem图像(图19a)，并排的是指示“头”端和“尾”端的直立金纳米线的结构的示意图(图19b)。

图20图示在本发明的弹性导体中使用的au纳米线的各种总成的横截面sem图像，所述总成为头对头(图20a)；尾对尾(图20b)；和多层(图20c)；而图20d是图示纳米线生长的掩模辅助式楼梯状布置的俯视图sem。(比例尺：5μm)。

图21图示在第一表面与第二表面之间的根据本发明的膜的截然不同的光学性质。所述膜是在5分钟生长时间后获得(图21a)，且展示从第一(头)表面到第二(尾)表面的不同接触角度(图21b)，和作为纳米线高度的函数的薄层电阻(图21c)(□.-在尾表面上的测量；■-在头表面上的测量)。

图22图示包括在pet薄片衬底上约1.5μm长的金纳米线的根据本发明的弹性导体的机电性质。图22a是在拉伸应变下结合的电导体尾(图22b)和结合的头(图22d)以及在压缩应变下结合的尾(图22c)和结合的头(图22e)的弯曲半径(mm)的曲线图。

图23图示比较沉积到1mm厚pdms薄片上的四个种类的金纳米线的电响应的曲线；图23b图示经受在箭头(图23a)的方向上的0.056n的重复点载荷的根据本发明的弹性导体的电力——尾结合的(141)和头结合的(140)金纳米线、块状金(142)和平躺金纳米线(143)。

图24图示基于三个类型的双层纳米线总成策略的三个压力传感器。弹性导体膜大小是3×3mm²。将所述膜组装成头对头(■)、头对尾(●)和尾对尾(▲)布局。将具有1mm的厚度的pdms膜用作衬底。

具体实施方式

本发明提供一种通过直立金纳米线阵列提供的格外高内在伸展性和耐久性的弹性导体。电子传导和膜伸展的方式与基于先前纳米线的随机渗透系统截然不同。

新颖3d结构化的几何形状实现其优异的机械和电性质，演示作为内在可伸展能量存储材料(诸如，超电容器以及高度敏感性智能传感器)的大能力。

本发明的弹性导体展现在紧密充填纳米粒子的情况下在其表面处的电子流。不同于典型地展现大的‘峭壁状’裂缝的常规金属膜(诸如，通过真空蒸镀/溅镀制造的金属膜)，本发明的弹性导体替代地展现在相同等级的应变(＜200％)下的微小v形裂缝。甚至当在格外大的应变(＞800％)下出现大裂缝时，渗透传导性路径仍然存在，且当减小应变时，裂缝可自身修复。

此外，此超弹性薄膜在大应变(ε＜200％)下无裂缝且在超大应变(ε＜800％)下无分层。不希望受理论约束，这是主要从纳米线的新颖直立形态得到的益处，其中弹性衬底的水平变形可仅导致纳米线之间的距离改变，而无对纳米线自身的任何损坏。结果，本发明的基于直立纳米线的弹性导体高度耐用，其中甚至在2,000次循环到800％应变后，传导性保持率仍维持在＞93％。

再次，不希望受理论约束，本发明的弹性导体还演示新颖的电子输送机制，借此主要地通过在直立纳米线之上的压缩的纳米粒子来输送电子。因此，本发明的弹性导体展示在施加压力后随着纳米线高度的增大和传导性增大的非常规电性质，诸如，恒定传导性。

直立纳米线的无先例的机械和电性质可实现内在可伸展电子器件(诸如，可伸展超电容器)的开发。

图1a、1d和1g图示在伸展-释放过程期间的三个不同金膜的示意性形态演化：分别通过电子束蒸镀、滴铸和直接生长制造的蒸镀的金、平躺纳米线和直立金纳米线。前两个膜在伸展期间发展出大的裂缝和分层，这导致在释放应变后永久的传导性损失。

图1b和1e中的对应的光学显微镜图像展示从0％应变至300％应变且返回到0％应变的动态表面形态改变。在应变增大期间出现的裂缝和岛状物之间的距离变得更大。在释放后，破裂的岛状物不能再次连接。在图1c和1f中的原子力显微术(afm)图像指示对于蒸镀的au膜和平躺的金纳米线导体两者的在300％应变下出现的界面剥离。

相比之下，牢固地附着于弹性体上的直立纳米线可在衬底的水平变形后自由地移动，且在释放应变后完全恢复，而无材料分层，如由图1h中展示的光学图像图示。注意，在高达200％应变下，整个膜几乎无裂缝。当应变进一步增大到300％时，观测到垂直于伸展方向的随机裂缝(直径：20μm)。可从高分辨率afm图像(图1i)观测到100-200nm深度的微小裂缝，其支持在图1g中提议的应变方案。纳米线的高机械性质使其能够在应变下弯曲，且在释放应变后返回到垂直。

图2a图示对于三个不同金膜的作为应变的函数的电阻改变。传统平坦结构化的金膜(蒸镀金膜和平躺金纳米线)可仅容许分别10％和150％的应变，且其后永久地失去其传导性。然而，本发明的直立金纳米线导体展现超弹性，且可在电不传导前伸展高达800％应变。此外，在从800％的应变释放后，保持传导性。

在图2b中比较对于现有技术可伸展导体在最大可持续应变下的传导性。根据本发明的直立纳米线导体在从0到800％的宽应变范围内达到高传导性，实质上比针对现有技术的无机可伸展导体报告的值高。显著地，在伸展/释放到800％应变达2,000次循环后的本发明的传导性保持率仍然保持＞93％(图2c)，这是在不组合外在结构设计的情况下报告的现有技术的可伸展导体所达不到的。

不希望受理论约束，本发明的弹性导体的内在弹性主要地从直立纳米结构的新颖形态以及与衬底的良好粘着性得出。注意，在用另一层在顶上封装后，本发明的可伸展性可进一步扩展到～900％应变，这几乎是自身的破坏应变。

图5展示通过从0％-800％-0％应变的光学显微镜成像的直立金纳米线导体的形态改变，整个膜在高达800％时保持传导性，这是归因于连接的金纳米线岛状物。在高等级应变下，对于基于sna的膜，观测到大的裂缝。然而，开裂的岛状物并不隔离，而是仍然互连，从而实现通过其渗透网络的电子输送。令人惊喜地，在释放应变后，大的裂缝可自身修复，从而导致传导性的完全恢复。还从sem特性化获得一致的结果。通过检验特定样本中的同一点，在伸展释放到182％应变的60,000次循环前和后，观测到可忽略的形态改变(图6)。

不同于块状金膜或渗透纳米线网络，直立纳米线导体沿着截然不同的电子输送路径。看来好像电子主要地通过顶表面输送，在顶表面处存在紧密充填的纳米粒子阵列。这已通过比较具有不同纳米线高度的直立纳米线导体的传导性来证明。通过控制范围从2分钟到15分钟的生长时间，获得具有1.5μm、3.5μm、5μm、7μm和14μm的厚度的五个不同直立纳米线导体(图3a-j)。所有五个导体的薄层电阻几乎相同(～3.5ωsq^-1)，其指示纳米线的高度在总体膜传导性中起到小的作用(图3k)。

随着施加外部法向压力，膜传导性轻微地增大。这可归因于垂直对准的金纳米线的法向力诱发的弯曲和交叉，增添了更多的电子输送路径。随着纳米线变得更长，法向压力的增大变得更明显，从而指示更长的纳米线可比短的对应部分更经受变形(图3l)。显著地，在去除压力后，此传导性增强是可逆的。我们记录在2hz的频率下、在600pa的重复压力下的电阻改变，且发现高信杂比得到良好地维持，且在20,000次加载-卸载循环后，电流振幅展现可忽略的改变(图3m)。这演示直立金纳米线层的软本质，反映弹簧状弹性变形性状。

不希望受理论约束，相信这个现象可归因于垂直对准的直立金纳米线的压力诱发的弯曲和交叉，这意味着在压力下创造更多电子路径。在去除压力后，此传导性增强是可逆的。

类似于对压力的电响应，从较高金纳米线制造的弹性导体显得对应变更敏感，但具有较低的最大ε。具体地说，具有最短金纳米线(1.5μm)的弹性导体可伸展到800％应变，而具有最高金纳米线(14μm)的导体在变得电不传导前可仅达到80％应变(图3n)。

不希望受理论约束，假定宽应变检测范围和超敏感响应可分别归因于表面纳米结构的高机械耐久性以及纳米线之间的有效接触。以上结果指示在应变期间的基于直立纳米线的导体的截然不同的传导性机制。对于蒸镀金膜，电子可贯穿其表面和内部均匀无应变地输送。然而，在伸展后，平滑的电子输送路径易于受阻，这是归因于具有是下面的弹性体衬底的杨氏模数的五个数量级高的杨氏模数的刚性金膜的开裂。同时，归因于差的粘着性，开裂的金片与弹性体分层，从而致使当充分释放应力时恢复传导性不可能。具有平躺金纳米线的导体遵循类似机制，且归因于分层和裂缝，渗透传导性路径在应变下受到阻挡。差异在于，其视杨氏模数更靠近支撑弹性体衬底的视杨氏模数，因此，渗透膜可在直到更高应变等级下仍存留。

不同于块状金膜或渗透纳米线膜，直立纳米线导体拥有阶层式机械性质：顶层由紧密充填的纳米粒子阵列组成，其可具有比下面的纳米线阵列的视硬度高的视硬度。在施加外部应力后，纳米线阵列可经历‘手风琴风扇状’拉开工艺。一旦充分地释放伸展力，拉开的结构可再次拉回。这很好地解释在观测到的低应变(＜300％)下观测到的微小裂缝。由于顶部纳米粒子层比纳米线层硬，因此其倾向于更容易开裂，因此，导致在afm成像中观测到的v形微小裂缝。在非常高的应变下，整个直立纳米线导体将开裂，但仍强地粘附到支撑弹性体衬底，而无分层，这是归因于强化学键结相互作用，其中aptms可充当纳米级粘合剂。这解释了在大应变减小到零后的充分‘裂缝修复’和传导性恢复。

基于响应于应变的所描述的感测性能，可在需要伸展后的稳定传导性的应用(诸如，超电容器)的弹性导体中使用较短长度纳米线，且在需要伸展后的大传导性改变的应用(诸如，智能可佩戴传感器)的弹性导体中使用较长纳米线。

此外，甚至在无封装的情况下在环境条件中存储40周之后，仍维持直立纳米线导体的优异机械和电性质，从而指示根据本发明的弹性导体的良好环境稳定性。这指示其在软电子器件中的潜在应用。

作为概念的第一证据，通过组装两个直立金纳米线(厚度1.5μm)导体来制造软可伸展超电容器，在所述两个导体之间具有聚(乙烯醇)(pva)/h3po4电解液。超电容器的循环伏安法(cv)曲线(图8)展现跨从0.02vs^-1到1vs^-1的完全扫描速率范围的优越的电容性性状。这些结果指示超电容器可承受非常高的电压/电流改变速率，相信这是在直立金纳米线电极中的有效电化学动态工艺的结果。

在从0.1ma到0.5ma(图8b)的各种电流下的静电充电/放电(gcd)曲线在所有充电/放电条件下不展现任何明显的ir下降。使用这些cv和gcd曲线来计算面积电容(图8c-d)。此外，基于根据本发明的直立金纳米线导体的超电容器显著地对在0％与250％之间的施加的拉伸应变范围上的应变不敏感，其中对于0％到150％的cv曲线几乎重叠(如在图9a中展示)。随着拉伸应变从0增大到100％，电容轻微地增大5％，推测起来是由于在伸展后的两个电极之间的接触的应变诱发的增强。

超出100％应变的进一步伸展引起电容的微小减小，且最终在250％的应变下保持原始电容的84％(图9b)。电容的降级可能是归因于在过伸展后的电极的传导性降级和pva/h3po4电解液的变形。图9c-d展示在200％的应变下比电容对伸展的数目的相依性，且在伸展达200次循环后，已将电容维持了99％。直立金纳米线导体的良好维持的结构和优越的传导性回复性还可解释在重复伸展后的稳定的电化学性质。

图10a展示在具有7μm的高度的金纳米线的情况下对于从0％到30％的宽可工作应变范围的稳定电响应。注意，当伸展到150％应变时，应变敏感性可达到19(图10b)。具体地说，在206％的应变(从图3n计算)下，仪表灵敏度可达到高为340.2。

制造

使用晶种调节方法(he等人，acs纳米7，2733-2740(2013))，基于直立纳米线的金膜可生长于宽范围的弹性体衬底上，包括聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、硅酮(诸如，)和聚氨基甲酸酯。图12图示基于直立纳米线的金膜的制造工艺。

典型地，作为第一步骤，弹性体衬底通过o2等离子体处理以致使其表面因暴露的羟基而亲水。第二步骤包括衬底的官能化，诸如，用氨基，通过硅化反应。aptms(3-氨丙基)三甲氧基硅烷(aptms)溶液是一种可能的官能化试剂，但其它的将易于对所属领域的技术人员显而易见。官能化实现晶种粒子从生长溶液通过静电相互作用的固定。

通过浸没到晶种溶液内来接种化学改质的弹性体。举例来说，晶种溶液可包括过多的柠檬酸盐稳定化的au晶种(3-5nm)。冲洗从弹性体表面去除任何弱束缚的晶种粒子。

最后，使保持锚定于衬底中的晶种粒子与生长溶液接触。在优选实施例中，生长溶液包括mba、haucl4和l-抗坏血酸，从而导致直立纳米线阵列的形成。

自顶向下和横截面图演示高度对准的纳米线的存在，在顶部上具有紧密充填的纳米粒子。典型的数目密度是～1.31×104μm^-2，其中纳米线直径为7.8±1.5nm，且纳米粒子大小为9.3±2.1nm。纳米线长度取决于生长反应时间。已通过分别将生长时间调整到2、4、5、8到15分钟来获得～1.5μm、～3.5μm、～5μm、～7μm和～14μm的典型的金纳米线高度。

宏观上，当弹性体衬底平时，本发明的直立金纳米线导体是均匀的，具有亮的、金色反射。生长工艺可与任何弹性体衬底大小且甚至与纹理化的皮肤复制品按比例调整。举例来说，在伸展前和后，形成于薄ecoflex薄片上的直立金纳米线可天然地附着到人类皮肤皱纹。

材料：四氯金酸三水合物(haucl4·3h2o，99.9％)、三异丙基硅烷(99％)、4-巯基苯甲酸(mba，90％)、(3-氨丙基)三甲氧基硅烷(aptms)、柠檬酸三钠二水合物(99.0％)、l-抗坏血酸、聚(乙烯醇)(pva)粉末、h3po4和乙醇(分析等级)是从sigmaaldrich购买。使用去离子水(电阻率＞18mω·cm^-1)制备所有溶液。将所有化学品在收到时使用，除非另有指示。从adafruit购买传导性线。

聚二甲基硅氧烷(pdms)衬底是通过按10∶1的重量比混合预聚合物凝胶(sylgard^tm184硅酮弹性体基底)与交联剂(sylgard^tm184硅酮弹性体固化剂)来制造。将混合物倒在6英寸平板陪替氏培养皿上，使用0.5mm高度薄垫片作为间隔物，且在65℃下于炉中固化达2h。

通过将ecoflex^tm可固化硅酮流体(smooth-onecoflex^tm00-30)倒入6″平板陪替氏培养皿中且在室温下固化达4小时来制造ecoflex衬底。

2nm金纳米粒子的合成：在强烈搅拌下将0.147ml34mm柠檬酸钠添加到具有20mlh2o的锥形烧瓶内。在1分钟后，伴随着搅拌，添加600μl冰冷的去肉制备的0.1mnabh4溶液。溶液立即变成棕色。将溶液搅拌5分钟，并且然后存储在4℃下，直到需要用时。

超薄金纳米线的合成(用于平放aunw膜)：将44mghaucl4.3h2o添加到40m1己烷，跟着添加1.5ml油胺(oa)。在完全溶解金盐后，将2.1ml三异丙基硅烷添加到以上溶液内。使所得溶液在室温下保留达2天，不搅拌，直到颜色从黄变深，指示金纳米线的形成。通过使用乙醇/己烷(3/1，v/v)的重复离心过滤和彻底的洗涤，去除残余化学品，且最后将其浓缩到2ml储备的己烷溶液。

在弹性体上的超薄金纳米线的生长：使超薄金纳米线在si晶片上生长，如由he等人描述(acs纳米7，2733-2740(2013))。

在pdms上：用空气等离子体预处理具有～500μm的厚度的pdms膜(20mm×10mm)达3分钟，以改善其表面亲水性。然后用胺基通过与aptms溶液(5mm)反应达1h来官能化膜。随后，将pdms膜浸泡在过多的柠檬酸盐稳定化的au晶种(3-5nm)溶液中达2小时，以确保au晶种的吸附，并且用水冲洗四次以去除过多的au晶种。然后，使pdms衬底浮动在生长溶液的表面上达8分钟，其中aptms官能化的侧在溶液中面向下，以用于金纳米线的均匀生长，而无任何沉淀物的形成。金纳米线生长溶液含有配位体mba(550μm)、haucl4(6.8mm)和l-抗坏血酸(16.4mm)。最后，将pdms膜用水冲洗四次且自然地干燥。

在pet上：用空气等离子体预处理pet膜(20mm×10mm)达2分钟，以改善其表面亲水性。在pet上生长的直立金纳米线的制造类似于如在先前段落中描述的在pdms膜上生长金纳米线。

在ecoflex^tm上：用空气等离子体预处理具有20-30μm和500μm的厚度的ecoflex^tm膜(20mm×10mm)达17分钟，以改善其表面亲水性。直立金纳米线的制造类似于在先前段落中描述的在pdms膜上生长。通过在从2、4、5、8到15分钟的时间范围上改变生长时间来制造具有各种高度(1.5μm、3.5μm、5μm、7μm和14μm)的金纳米线的导体。

在皮肤纹理的ecoflex^tm上：作为第一步骤，将人类皮肤用作模具来达成具有20-30μm的厚度的皮肤纹理的ecoflex^tm复制品。直立金纳米线在ecoflex^tm上的制造类似于如在先前段落中描述的在平滑ecoflex^tm膜上生长纳米线。

在弹性线上：用空气等离子体预处理弹性线串(20mm)达8分钟以改善其表面亲水性。在弹性线上的直立金纳米线的制造类似于如在先前段落中描述的在pdms膜上生长金纳米线。

电子束蒸镀的au膜的制造：使用电子束蒸发器(intlvacnanochrome^tmii，10kv)从ecoflex^tm衬底(厚度：500μm)达成传导性au(厚度：100nm)膜。将膜切割成30mm×3mm形状，且粘附传导性线以达成电子蒸镀的au膜。

平躺金纳米线导体的制造：将ecoflex^tm衬底(厚度：500μm)滴涂10次，金纳米线在己烷溶液中。然后将衬底在自然干燥后切割成30mm×3mm形状，并附着固定的传导性线以生产平躺结构化的金纳米线膜。

将44mghaucl4.3h2o添加到40m1己烷，跟着添加1.5ml油胺(oa)。在完全溶解金盐后，将2.1ml三异丙基硅烷添加到以上溶液内。使所得溶液在室温下保留达2天，不搅拌，直到颜色从黄变深，指示金纳米线的形成。通过使用乙醇/己烷(3/1，v/v)的重复离心过滤和彻底的洗涤，去除残余化学品，且最后将其浓缩到2ml储备的己烷溶液。然后可通过简单的滴铸方法来获得平躺金纳米线膜。

超电容器的制造：将弹性导体切割成具有合适形状和大小的小件。将在水(10.0ml)中含有pva粉末(1.0g)和h3po4(1.0g)的凝胶溶液涂布于制备的膜之上，且在空气中干燥5小时。然后将传导性线固定到一对弹性导体，且面对面地组装以形成超电容器。

传感器特性化：使用在5kv的电压下操作的feiheliosnanolab600fib-sem进行电子成像。通过使用线性阵列的四点头，在jandel四点传导性探针上测算直立金纳米线导体的薄层电阻。为了测试针对应变感测的机电响应，将样本的两端附着到机动化的移动级(thorlabs模型lts150/m)。然后，均匀的伸展/释放循环由基于计算机的用户接口(thorlabsapt用户)应用，同时通过parstat2273电化学系统(princeton应用研究)测量电流改变。使用类似的设置用于人类腰部脉冲感测。为了详细压力响应(响应时间、电流改变和滞后)的分析，使用基于计算机的用户接口和力传感器(atinano17力/扭矩传感器，1/80n分辨率，无过滤)和使用高分辨率正交编码器(15μm的线性分辨率)的maxon无刷dc电动机来施加高达2.000pa的外部压力，频率高达7hz。

基于部分嵌入的纳米线的弹性导体的制造

在根据本发明的制造方法的再一个实施例中，按封装于弹性体内的金纳米线的比例来制造基于直立金纳米线的弹性导体。所述方法示意性地描绘于图15中。

第一步骤需要制造相对非弹性体生长表面，诸如，硅晶片。用食人鱼溶液(h2o2∶h2so4，1∶3)预处理4英寸硅晶片的表面达10分钟，以改善其表面亲水性，并且然后用在(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(aptes)溶液中的胺基官能化所述表面达1小时。将官能化的晶片浸没在100ml柠檬酸稳定化的au晶种溶液中达2小时以确保充分的采用，并且然后在去离子水中洗涤若干次。

随后，将au吸收的水浸泡于含有配位体对巯基苯甲酸(mba)、haucl4和l-抗坏血酸的金纳米线生长溶液中达5分钟。最后，将晶片用乙醇冲洗且在空气中干燥。

金纳米线到pdms弹性体衬底的转移：将聚二甲基硅氧烷(pdms)前驱物与固化剂按以重量计10∶1的比例混合。在搅拌后，将混合物倒到以上描述的金纳米线承载晶片上。为了确保au纳米线的成功转移，将涂布有pdms的晶片放到真空室内以去除气泡。在于60℃下加热4h后，小心地剥落pdms衬底。

aunw在pdms衬底上的再生长：将pdms衬底再次浸泡于au纳米线生长溶液中，达5分钟。

如在图16a中所描绘，用平均长度约10μm且宽度约5nm的垂直直立金纳米线的密集层覆盖晶片表面。在转移后，将金纳米线几乎嵌入于pdms中，其中底部部分暴露，如在图16b中展示。在再生长后，pdms弹性体衬底将颜色从金色改变成深灰色，并且其sem图像图16c指示金纳米线已沿着暴露的表面再生长。

粘着力测试：粘着力对于可伸展电子器件和植入装置的成功长期使用是至关重要的。然而，在某些应用中，这些电子器件和装置可经受到可诱发剥离和分层的界面摩擦。根据以上描述的方法制造且具有部分嵌入于弹性体中的直立纳米线的导体具有良好粘着力，并伴有对剥离和分层的抵抗性。

为了测试粘着力，将牌粘胶带测试应用于直接在弹性体衬底上生长的金纳米线(图17a)；在硅晶片上生长且嵌入于弹性体衬底中的金纳米线(图17b)；和嵌入于弹性体衬底中且再生长的纳米线(图17c)。剥落粘胶带，且结果描绘于图17d、17e和17f中。在测试的过程中，观测到，在pdms上的金纳米线易于由粘胶带拆开。相反，当将粘胶带从具有部分嵌入的纳米线的样本剥落时，未观测到纳米线的损失。

可增强强粘着力，例如，通过使用双官能分子胶，诸如，(3-氨丙基)三甲氧基硅烷(aptms)。aptms的胺部分与金纳米线强反应，且硅烷部分共价键结到弹性体表面。

因此，本发明提供通用策略的开发，以用于通过在弹性体上直接生长垂直对准的纳米线建造呈膜的形式的非常规、内在弹性导体。本发明的弹性导体还演示响应于改变纳米线高度的机电可调谐性。

不同于常规连续块状金属膜或不连续渗透系统，本发明的弹性导体在形成为膜时，展现在每一表面上不同的截然不同的光学、润湿、电和机械性质。

光学性质

根据本发明的金弹性导体的最鲜明的特征中的一个是以下事实：所述膜按类似于块状金属的方式在由纳米线的“头”区域形成的表面上反射光，同时其在邻近纳米线的“尾”的区域中显示高的(几乎全部)光吸收。将邻近纳米线尾的表面的观测到的近完美吸收概念化的最简单方式是使用菲涅耳反射定律(电动力学的介绍，d.j.griffiths、prentichall(1999))，其陈述来自特性化有折射率ninc(对于空气ninc≈1)的介质的正常入射光束到折射率ns的表面上的反射比r由以下给出：

其清晰地估算r＝0(即，完美的吸收，这是由于a＝100％-r)，因为表面的折射率匹配入射介质的折射率(或方程式中的ns→ninc)。

在本发明的弹性导体中，归因于邻近吸收(尾)区域的纳米线的空间稀疏性，这折射率匹配发生。举例来说，当每一纳米线具有7.8±1.7nm的直径且所述区域具有～1.09×10⁴μm^-2的数量密度时，平均折射率靠近其间之间的空隙中的材料(即，空气)的折射率。此外，所述区域可平且均匀，与其稀疏性无关，因此导致关于其与光的相互作用的有效均质区域(其因此肯定使用菲涅耳反射定律的充分性)。举例来说，已展开了类似的争论来解释针对碳纳米管的无序阵列测量的高光学吸收率。

为了获得进一步的洞察，使用傅里叶模态法(thongrattanasiri等人，物理评论快报108，047401(2012))，本发明的弹性导体材料被模型化为垂直朝向的线的一维周期性阵列。这几何形状提供对结构的横截面几何形状对测量的光学性质的效应的洞察，但它清晰地不表示纳米线阵列的复杂的三维且无序本质。举例来说，纳米线阵列的计算的吸收光谱具有≈1.6倍纳米线宽度的周期。光通常地是入射光，其电场在入射平面上极化。

与以上论述一致，对于考虑的波长范围中的多数，计算的吸收率＞80％。计算的光谱展示对于波长＞650nm的强振荡，其作为模型化的结构的假定的周期性的结果而发生。在本发明的弹性导体中，不存在固定周期，因为纳米线形成无序阵列，且因此，这些振荡在实验数据中不存在。然而，模型一维结构的结果可几乎完美地叠加到测量的吸收光谱，从而提供强的证据——作为关于以上方程式(1)的折射率匹配的结果，出现高测量的吸收率(或近完美的光吸收)。

润湿性质

本发明的弹性导体材料典型地具有亲水表面(在与纳米线头相关联的第二区域中)和疏水表面(在与纳米线尾相关联的第一区域中)。

邻近纳米线尾的膜表面的水接触角度：

邻近纳米线的尾的本发明的弹性导体材料的区域含有直立纳米线和基本上均质的空气。视接触角度θ*可通过已知cassie-baxter方程式来预测(abdelsalam等人，langmuir5，1753-1757(2005))；

其中φ是固体表面分率，且θ是在相同化学组成的平滑表面上获得平衡接触角度。固体分率φ可从纳米线直径和其数量密度来估计：

其中r是纳米线半径，且n是纳米线数量密度，其分别已被估计为3.9nm和1.09×10⁴μm²。因此从方程式(3)得出0.52的固体分率φ。相反，平的金表面的接触角度是70°。那些值可用以解方程式(2)，得出107.5°的视接触角度。这与101±8°的实验值良好地一致。

在纳米线头的膜表面的水接触角度：

本发明的弹性导体(诸如，呈膜的形式的基于金纳米线的导体)的头侧由表现似块状金膜的紧密充填的纳米粒子构成。然而，实验估计的接触是～21°，其比平滑金表面的接触(70°)低得多。这指示mba分子必须通过稳固的au-s共价键在金纳米粒子表面上形成自组的单层。这实现mba羧基部分到水的曝露，因此致使头侧膜高度亲水。

因此，在这个实例中，与具有101±8度的接触角度的亲水表面相比，呈由金纳米线组成的膜的形式的本发明的弹性导体材料典型地展现具有21±3度的接触角度的亲水表面。亲水表面的低可润湿性是归因于陷落于纳米线基质内的气穴，并且实验测量的角度可通过cassie-baxter模型来很好地预测。亲水表面的高可润湿性是归因于金纳米粒子表面通过4-巯基苯甲酸(mba)分子的化学改质，从而致使表面富含羧基。因此，头侧展现比块状金表面甚至小得多的接触角度。

传导性

此外，来自纳米线头表面的呈膜的形式的本发明的弹性导体的测量的电阻为约～6.6ωsq-1，其与纳米线重量无关。然而，从邻近纳米线尾的表面测量的电阻随着纳米线高度降低，但保持大于另一表面。这结果是归因于促进高效电子飞跃的第一表面的紧密充填的纳米粒子层；相比之下，良好间隔的纳米线抑制线间的高效电子转移。

将每一个别纳米线假定为1d零间隙纳米立方体阵列，无结电阻。这允许应用简单的volger模型(volgerj.，物理评论79，1023(1950))的扩展，以适合实验测量的电阻，所述实验测量的电阻导致对于无量纲配合参数b的值为15,000。这个大值指示在纳米线之间的组合穿隧和欧姆接触。

具体地说，在volger模型的这项应用中，假定纳米线由附有边缘大小a的堆栈纳米立方体组成。纳米线的高度由立方体的数目确定，在相邻纳米线之间具有相等间距。进一步假定，沿着z方向的立方体间间距是sz＝0，而沿着x和y方向的分别是sx和sy。纳米线的锥形性质的选择使选取相同纳米立方体电阻‘rnc’和三个轴线成为可能。为了简化计算，将纳米立方体的电阻率ρnc视为与单晶的电阻率相同，且因此可写为：

rnc＝ρnc/a方程式(4)

考虑长度l、宽度w和厚度h的膜，可将沿着长度、宽度和厚度方向的纳米立方体的数目分别定义为n1、nw和nh。因此，膜中的纳米立方体的总数等于：

n＝nlnwnn方程式(5)

同样，从纳米立方体的假定的布置：

h＝nna

l＝n1a+(n1-1)sx

w＝nwa+(nw-1)sy方程式(6)

沿着膜的长度的电阻可通过选取跨yz平面中的横截面的接触来测量。

可将整个膜视为‘nwnh’个电阻性元件的并联组合，其中每一元件的电阻由以下给出

r＝nlrnc+(nl-1)rv方程式(7)

因此，在两个接触之间的沿着膜的长度的净电阻将给为：

代入方程式(6)，得出：

假定sx＝sy＝s。一般来说，立方体间电阻rv比立方体电阻rnc相当高。rv可写为ρncsβ/a²。β是无量纲量，其取决于两个相邻立方体之间的电荷转移的机制，诸如，欧姆传导、穿隧或热离子发射。它也可以是这些的组合，取决于实际边界结构，然后，方程式(9)可写为

在我们的情况中，相当合理地应用以上条件1＞＞a、1＞＞s且w＞＞s。然后，方程式(10)减小到

基于实验，使用膜的第二表面的电阻的测量，估计a＝7.8nm且s＝1.5nm，其中1＝w＝10mm且ρnc＝ρau＝2.6×10^-8mω(t＝20℃)。当β＝15,000时，实验结果很好地配合理论计算。

一般机械电子响应

此外，取决于纳米线是头结合还是尾结合到弹性衬底，本发明的弹性导体展现完全不同的机械电子响应。当纳米线直接生长于ecoflex衬底上时，其中尾端化学束缚到衬底表面，所述膜展现高达800％的应变的格外高的可伸展性，而不损失传导性。在应力释放后，可恢复原始传导性。相比之下，如果膜仅仅转移到ecoflex上，其中纳米线的头端与弹性体接触，那么在仅施加83％应变的情况下，传导性永久地失去。对于膜的头侧，但不对于尾结合的膜，视觉膜分层和裂缝是明显的。

对于收集的实验数据和基于铜键结的kapton膜的理论预测的正规化的电阻(r/r0)对正规化的长度平方(l/l0)²的再一个曲线展示根据本发明的尾键结的膜的800％可伸展性。这明显地胜过目前先进技术无机可伸展传导kapton膜。显著地，在伸展/释放到800％应变达2,000次循环后，本发明的弹性导体保持＞93％的初始传导性。在我们的知识范围内，通过先前报告的现有技术可伸展导体，不使用预应变或弯曲设计的话，这尚未能达成。

对照实验展现，在失去传导性前，蒸镀金可仅存留～10％应变，且渗透纳米线膜可仅容许～150％应变。在应力释放后，块状金属和渗透纳米线膜都不展示传导性恢复。

可伸展性

不受理论约束，相信纳米线与衬底之间的强粘着力和‘手风琴风扇状’v形开裂过程是造成根据本发明的弹性导体的格外高的可伸展性的原因。

针对呈膜的形式的本发明的弹性导体的伸展过程进行有限元分析(fea)模型化。假定，每一纳米线弹性变形，而破坏，且尾端保持牢固地附着到弹性体衬底。结果展示裂缝起始自纳米线头的区域，纳米线头充当用于强成束的纳米线阵列的拉开点。然而，相互作用的纳米线尾端与衬底保形地变形，无开裂。这导致v形裂缝的形成，在应变释放后，所述裂缝可完全恢复到其初始状态。原子力显微术(afm)特性化清晰地展示v形裂缝的存在。针对在不同应变下的两个弹性导体膜测量的开裂深度显著低于膜厚度，从而验证了fea模型化结果。相比之下，块状金膜和渗透纳米线膜都经历了常规u形裂缝。

同时膜分层防止原始结构的恢复，因此导致差的传导性恢复。注意，本发明的弹性导体的这个独特的伸展机制根本上与先前对准的碳纳米管阵列不同，在先前对准的碳纳米管阵列的情况下，建构块不与衬底表面正交地直立，而是齐平地平躺在衬底的表面上。

弯曲敏感性

根据本发明的弹性导体还可展现对压缩和拉伸弯曲力的双模响应。分别已针对具有附着到弹性体衬底的纳米线的尾端的弹性导体测量0.98rad^-1的拉伸弯曲敏感性和0.54rad^-1的压缩弯曲敏感性。相反，具有附着到弹性体衬底的纳米线的头端的弹性导体展现分别减小到0.66rad^-1和-0.34rad^-1的对应值。

不希望受理论约束，相信对于尾键结的膜的高拉伸和压缩敏感性的原因是归因于头端的相对大变形，头端展现相似于块状金属相的性状且更导电。注意，传统块状金属膜或不连续渗透纳米线膜只展示对压缩和拉伸应变的单模响应。

可将弯曲敏感性定义为

s＝θ(rbending-r0)/r0方程式(12)

其中r0是在弯曲前的膜的原始电阻，r弯曲是弯曲时的膜的电阻，且θ是施加的弯曲度。

外部点载荷的辨别

本发明的弹性导体对点载荷电响应的方式也与常规膜根本不同。举例来说，本发明的弹性导体展现～2.71n^-1的到第一表面的点载荷的敏感性；而在相同条件下，到第二表面的点载荷敏感性是～0.73n^-1。

重要地，对于呈膜的形式的弹性导体的两侧，电响应可逆，且在载荷释放后，传导性完全恢复。相比之下，块状金膜和纳米线渗透膜都不展示对于点载荷敏感性的任何区别，并且在载荷释放后，对于块状膜，观测不到传导性恢复。这结果是归因于本发明的弹性本质，而刚性金膜在点载荷下将经历不可逆的裂缝/分层。与具有更大趋势在点载荷下开裂的下面的纳米线相比，第一表面的高敏感性可归因于其相对更刚性的本质，因此导致更高敏感性。

可将点载荷敏感性定义为：

s＝f(rload-r0)/r0方程式(13)

其中f是点载荷，且rload是在点载荷下的膜的电阻。

弹性导体设计控制

本发明通过更改层的数目和总成策略带来对于通用压力传感器的受控制的设计的机会。作为概念的证据，根据本发明的三个弹性导体制造有按以下布置的纳米线：(i)头对头，(ii)头对尾，和(iii)尾对尾。在0-1,000pa的弹性变形范围中比较三个布局的敏感性。测量的敏感性顺序是头对尾＞头对头＞尾对尾。在头对尾总成中，裂缝形成的趋势最大。在头对头总成中，归因于增强的强度，两个表面开裂的趋势减小。相反，在尾对尾总成中，无开裂结果，且因此膜传导性不响应施加的压力。

为了本文中的描述的目的，应理解，在附图中图示和在以下说明书中描述的具体装置和过程仅仅是在所附权利要求书中定义的发明性概念的例示性实施例。因此，涉及本文中公开的实施例的具体尺寸和其它物理特性不应被视为限制性，除非权利要求书另有明确的陈述。另外，除非另有指定，否则应理解，在给定方向等上或沿着给定方向等延伸的组件的特定特征的论述并不意味所述特征或组件在这个方向上沿着直线或直轴线，或它只在此方向上或在此平面上延伸，而无其它方向分量或偏离，除非另有指定。

虽然本发明已结合其具体实施例来描述，但应理解，它能够有另外的修改。本申请希望涵盖本发明的任何变化使用或改编，一般遵循本发明的原理且包括如在本发明属于的技术内的已知或惯常实践内且如可应用于前文阐述的必要特征的与本发明的此类偏离。

因为本发明可在不脱离本发明的必要特性的精神的情况下以若干形式体现，所以应理解，上述实施例不应限制本发明，除非另有指定，而相反地，应在如在所附权利要求书中定义的本发明的精神和范围内宽泛地解释。在各个方面应将描述的实施例视为仅说明性，且非限制性。

各种修改和等效布置希望包括于本发明和所附权利要求书的精神和范围内。因此，应将具体实施例理解为说明可实践本发明的原理的许多方式。在以下权利要求书中，手段加功能条款希望涵盖如执行定义的功能的结构，且不仅有结构等效物，而且有等效结构。

“包括(comprises/comprising和includes/including)”当在本说明书中使用时应被看作指定所陈述特征、整体、步骤或组件的存在，而不排除一或多个其它特征、整体、步骤、组件或其群组的存在或添加。因此，除非上下文另有清晰的需要，否则，贯穿描述和权利要求书，词语‘包括(comprise、comprising、includes、including)’等应按包括性意义来解释，这与排他性或穷举性意义有所相反；也就是说，按“包括但不限于”的意义来解释。