华人学者鲍哲南团队开发可穿戴显示器：拉伸两倍不会裂，且高亮度

下一代皮肤发光显示器应该是柔软、有弹性和明亮的。在美国斯坦福大学化学工程系主任、K. K. Lee特聘教授鲍哲南看来，尽管这类研究在当下已非常“时髦”，但真正具有可重复拉伸性和低刚度的可伸缩显示器仍然缺乏。 

当地时间3月23日，顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了鲍哲南团队的一项最新研究，他们在发现了一种创造弹性发光聚合物的突破性方法后，开发出了高亮度、有弹性的彩色显示器。其最大亮度至少是手机的两倍，拉伸到原来长度的两倍时也不会撕裂。

研究团队认为，这项研究或标志着高性能可拉伸显示器的重要进展，这种可伸缩显示器，或将彻底改变人类与电子设备的互动方式。

现年52岁的鲍哲南于1995年获得美国芝加哥大学博士学位。2016年，她创立了斯坦福大学可穿戴电子中心并任主任，同年当选为美国国家工程院院士，2017年当选为美国国家发明家学会会士，2021年当选为中国科学院外籍院士、美国艺术与科学院院士。

斯坦福大学化学工程系主任、K. K. Lee特聘教授、中国科学院外籍院士鲍哲南。

研究团队提到，大多数发光聚合物都是坚硬的，在拉伸时也会开裂。为了将刚性显示器转换为可伸缩的结构，截至目前科学界已经报道了多种策略，包括将刚性纳米结构嵌入弹性聚合物基体的纳米复合材料等。

然而，在增加了弹性的同时，这些显示器必须牺牲设备性能、可扩展性或分辨率。比如，导电性会降低，这就要求使用危险的更高电压来产生微弱的光。

研究团队也看到，从另一方面来说，可伸缩的聚合物材料即使在高器件密度下也保持可伸缩。因此，全聚合物发光二极管(APLEDs)具有驱动电压低、亮度高、响应时间快、稳定性好等优点，将成为皮肤样显示器的理想策略。然而，出于多种原因，这样可伸缩的APLEDs此前一直没有实现。

鲍哲南团队的这项研究始于三年多之前。其团队的博士后、该研究的第一作者张智涛发现了一种被称为“SuperYellow（SY）”的黄色发光聚合物，当引入一种有弹性的塑料，即聚氨酯（PU）与其混合时，不仅变得柔软柔韧，还能发出更亮的光。

在斯坦福大学发布的新闻稿中，张智涛说，“如果加入聚氨酯，我们会看到SY形成纳米结构。”他进一步称，“这些纳米结构非常重要。它们使脆性聚合物可伸缩，并使聚合物发出更亮的光，因为纳米结构像鱼网一样连接在一起。”

值得一提的是，与此前哪些添加橡胶等策略不同的是，使SY具有弹性的纳米纤维网络不会抑制电流，而这是开发一种明亮显示器的关键。

具备了可伸缩的发光聚合物后，研究团队还需要将电子显示屏的其余成分组合在一起。鲍哲南解释说，找到合适的材料真的很有挑战性。“在电子性能方面，它们必须相互匹配，才能带来高亮度。但是，它们也需要有类似的良好的机械性能，以允许显示可伸缩。最后，在制作过程中，张智涛必须找到一种方法，将各层堆叠在一起，这样才不会降低亮度。”

最后的显示器包含7层。两个外层是封装设备的两个基板。再往里是两个电极层，然后有电荷传输层。最后，发光层被夹在中间。

当电流通过显示器时，一个电极向发光层注入正电荷，而另一个电极向发光层注入负电荷。当这两种电荷相遇后，它们会相互作用并进入能量激发态，紧接着就会产生一个光子，多个光子聚集成明亮的光。

在这项研究中，研究团队最终制备了红色、绿色和蓝色的可拉伸全聚合物发光二极管，具有高亮度（7450 cd/m2）、电流效率（5.3 cd/A）和可拉伸性（约100%）。

为了使制备的全聚合物发光二极管可以贴在人体皮肤上进行长时间工作，研究团队还使用了一种灵活的无线能量采集系统，通过无线电波为全聚合物发光二极管供电，并证明在皮肤上能跟上人类心跳节拍，显示实时脉搏信号。

“可伸缩显示器可以实现一种新的人机交互方式。”鲍哲南看到了未来多种潜在用途，它可以用来制作可变形的交互屏幕，甚至可以在地图上形成三维景观，“想象一下，在屏幕上，你可以看到和感受到三维物体。”她认为，这将是一种全新的远程互动方式。