赵志远 阴淑艳
“大雄！快起床，我回来啦”，看着带着竹蜻蜓的哆啦A梦从窗外飞了进来，大雄声音微弱的说：“你去哪里啦，刚才找你看你不在房间？我生病了浑身哪哪都难受，快把任意门拿出来带我去医院。今天是周一看病的人一定特别多，早点去排队！”“不用那么麻烦的看看我的最新科技——健康监测贴”。说着哆啦A梦从万能口袋中拿出一张薄膜一样的东西贴在大雄的额头上，瞬间纸张上面显现出大雄的身体机能参数和各种症状及其对应治疗的药品名称，原来是大雄得了重感冒！随后他们根据画面上提示的治疗药品，去了附近的药店……。这个小故事大家都不陌生（见图1），这是我这一代人小时候最喜欢看的科幻动画片“哆啦A梦”相信大家最喜欢的就是哆啦A梦口袋里各种神奇道具，幻想有一天哪怕拥有其中一件也会非常开心，现在我终于可以告诉大家这些都不是梦！如今这个时代的发展将我们带进了新的时代。
塑料在什么条件下可以导电
我们目前的日常生活中每天都被塑料包围着（见图2），如食品包装、儿童玩具、容器、仪器、家电、涤纶材质衣服、机械零件等等。而用科学术语来说，这些塑料实际上就是些大分子链的化合物。它的强度好，密度低，耐腐蚀，是一种广泛使用的电绝缘材料，然而你听说过塑料能导电吗？
图2 日常生活中的塑料制品
1977年，在纽约科学院国际学术会议上，东京工业大学助教的白川英树（HidekiShirakawa）把一个小灯泡连接在一张聚乙炔薄膜上，灯泡马上被点亮了。“绝缘的塑料也能导电！”此举让四座皆惊。那是什么原因让本该绝缘的塑料可以导电呢，这要缘于科学上的一次“偶遇”，1974年，日本科学家HidekiShirakawa要去参加学术会，于是要求学生帮他把实验（合成聚乙炔）继续做下去，他将实验步骤都写了下来。他回来后观察实验产物里面掺杂了一些银白色的光泽，他想聚乙炔不会出现这种现象呀！因为带银白色光泽的物质大多是金属，聚乙炔这种有机高分子怎么会表现出金属光泽这种属性呢？他查阅了学生的实验记录数据，原来他的学生把催化剂放多了，而且是多了整整一千倍。1976年，Hideki Shirakawa教授发现在聚乙炔薄膜中掺杂1﹪的碘物质，可使聚乙炔薄膜的导电度提升十亿倍，也就是说在塑料中添加一定量的导电物质，会形成新的复合型的导电高分子材料，这次偶然的发现，开启了导电高分子的时代，也使塑料有了新的应用。2000 年，Alan J. Heeger、Alan G. MacDiarmid、Hideki Shirakawa三位科学家（见图3）因为发现了导电聚合物而被授予诺贝尔化学奖，开拓了有机电子发展的新时代。自那以后，有机电子材料及其在各领域的应用，逐渐成为了一个新兴研究领域。结合了有机化学、物理学、信息电子科学和材料科学等诸多学科相互交叉的新学科就有机电子学。在全世界科研人员的不懈努力下，相关领域取得了长足的进展。
图3、2000年诺贝尔化学奖获得者
导电塑料的应用——有机电子器件
有机电子器件，包括有机电致发光器件((organic lightemitting diode, OLED)、有机光伏器件(organic photovoltaic,OPV)和有机场效应晶体管(organic thin-film transistor, OTFT)等。以这些为代表的有机光电功能材料和器件在新型平板显示、固体照明、高密度信息传输与存储、新能源和光化学等领域显现了广阔的应用前景，受到科学界和产业界的普遍关注（见图4）。
例如，OLED技术具有全固态、主动发光、色彩丰富、可实现柔性显示等诸多优点，被认为是最有发展前景的新型平板显示技术之一，且逐步在全球形成规模化生产。OPV技术因成本低、工艺简单、易于制成大面积器件等诸多优点被认为是很有发展潜力的可持续发展的绿色环保能源技术。OTFT以其低成本、可在柔性基板上加工、可低温成膜等优点，成为有机电子学的一个热点，有望推动信息产业的变革式发展。让我们来看一下部分有机电子器件的应用吧。
图4、有机电子器件的应用
柔性显示屏
多年来，三星、LG、柔宇、华为和其他公司已向人们展示了各种柔性显示屏（flexible displays），甚至是搭载柔性显示屏的智能手机。柔性显示屏到底是什么？通俗来讲，“显示屏”是指你看手机和进行操作时所看到的界面。从技术角度看来，显示屏就是放置在玻璃面或者塑料壳下的电子器件，负责照亮手机和显示信息。柔性显示屏的发展是在显示屏的基础上其形态柔性化的发展，大致可以分为三个阶段（图5），即平面显示屏通过使屏体变薄实现曲面显示，屏体进一步变薄实现弯曲显示，屏体采用分型结构连接实现折叠显示屏。以下为代表性事件：2005—2008柔性屏幕中心建立，惠普、索尼、诺基亚相继推出柔性显示屏；2013年，三星在 CES (ConsumerElectronics Show)上亮相了它的YOUM柔性OLED显示屏；LG发布第一款真正量产的曲面柔性屏幕手机LG G-Flex；2015年，LG研制出完全由塑料组成的曲面显示屏，以显示屏厚度为0.3~0.5毫米；柔宇基于AMOLED架构研制的柔性显示屏，屏幕厚度缩小到10微米（0.01mm），只有人类头发丝直径的五分之一，创造了世界纪录；2017年，LG公布了77英寸柔性显示屏，曲率高达80度。这款显示屏拥有4K超高清分辨率，同时采用了透明设计，具有40%的透明度。用柔性基板制造的OLED显示器已经成功地进入了市场，如Samsung Galaxy S7 Edge或是Apple Watch一类的设备中。2020年，华为发布新一代折叠屏手机Mate Xs。华为MateXs拥有折叠态和展开态两种形态，在手机和平板之间灵活转换。柔性显示器让可折叠的移动设备成为现实。
2019年我国“新型显示产业发展白皮书”提出屏体柔性化为新型柔性显示发展特点，是显示领域的重要发展趋势，其产品可以更好的应用于智能手机、车载显示、虚拟现实（VR）等终端产品，从而实现显示器的无处不在，与产品表面贴合、自然携带等。场效应晶体管TFT的发展
1960年，金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, MOSFET)在贝尔实验室问世以来，作为核心开关电子元器件，推动了整个半导体集成电路产业按照“摩尔定律”迅猛发展。MOSFET为现代信息技术快速发展做出了巨大的贡献。近几十年来，随着显示技术越来越被重视，场效应晶体管TFT( thin-film transistor, TFT)技术得到了越来越多的关注，已成为平板显示驱动行业的支撑技术，在大面积电子领域取得了广泛的应用。TFT的工作原理如图六左图，是一种电压控制器件，通过栅极电压来调控源漏电极间电流的大小，其功能等同于开关的作用，如图6右图示意的那样，水龙头的开关就相当于TFT开关，当拧动开关后，水（信号）从水库（信号源）流出，TFT作为显示领域的驱动技术时，OLED为像素点，如水龙头出水口位置的接水盆，一个TFT控制一个像素点。
图6、场效应晶体管TFT工作原理
场效应晶体管TFT，根据半导体材料的不同主要包括以下类型：非晶硅(amorphous silicon,a-Si)、低温多晶硅(lowtemperature poly-silicon, LTPS)、金属氧化物、纳米材料以及有机半导体。随着显示屏体多元化应用需求如低成本可抛式电子和柔性便携显示应用需求的日益增长，有机OTFT备受学术界和科学界关注。有机材料拥有极好的本征柔韧性、材料来源丰富、可降解和可低温溶液法大面积涂布等优势，还可以根据应用需求在任何形式包括塑料和纸张等基板上进行加工制备。近些年来，随着OTFT材料（半导体材料、绝缘层材料和电极材料）和加工工艺的不断发展，OTFT的器件性能已经远远超过a-Si TFT。OTFT独特的可低成本溶液法制备和良好的柔韧性优势使其在各种显示装置以及存储器件方面显示了较好的应用前景。
图7展现了OTFT器件做“开关”的例子，如驱动OLED制备柔性显示屏，改变现有图片、影视的呈现形式实现可弯可折。用于电子纸（E-paper），改变现有纸媒的呈现形式，具有可读性、可书写性和柔韧性。应用于传感器，可以检测到NH3、Cl、SO2、CO等对人体有害的气体，检测溶液体系中的离子等。OTFT的又一个奇特应用是在机器人领域。研究人员将有机晶体管阵列植入感压橡胶下，使它成了对压力敏感的机器人的“皮肤”。
图7、OFET器件的功能应用领域
电子皮肤
如何让智能机器人更像人类，只给它提供听觉、视觉，让它能与人对话，这似乎还远远不够。因为在人类的五感中，除了听觉和视觉，还包括触觉、味觉、嗅觉。机器人不需要吃饭，那么味觉和嗅觉似乎就不那么重要了，但触觉作为最重要的定位手段，则是机器人应该具备的。智能手表可以帮助我们监测睡眠和心率；智能音箱可以告诉我们今天的天气、适宜穿什么衣服以及实时新闻；智能手机能做得更多，囊括衣食住行方方面面……很快就会实现这些功能全部将由“电子皮肤”代劳。外界的刺激能够改变元器件内核心半导体的物理参数，这些参数经过特定的信号转换，计算等，从而做出特异性识别与响应，产生“触觉”。换而言之，电子皮肤是将高柔性与高导电性材料结合在一起，成为复合材料而被广泛应用。引人注目的是，OTFT不仅可以用来制造电子人工皮肤，用它制造出来的人造肌肉也可以通过电化学方法进行控制，使之膨胀和收缩。利用这种技术工艺，科学家能制造出非常类似人类的机器人的肢体，机器人也将不再只能生硬地完成程序指令，而是可以更加灵活地做出各种复杂的动作。集成了多功能电子皮肤的衣服，能够实时感知身体每个部位的健康状况、能根据需要改变颜色、甚至可以隐身。电子皮肤可以很好地贴覆在机器人外壳表面，让机器人能够接近甚至达到与人一样的“靠表皮感应外界事物的能力”，并传递至机器人中心控制系统，使其做出相应的反应。这对促进机器人智能化水平的作用将是革命性的。可以预见，电子皮肤作为模仿人类皮肤的属性，将在医疗健康与机器人领域有广阔的应用前景。
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。本书涵盖了18种最新的前沿新材料，主要包括信息智能仿生材料、纳米材料、医用材料以及新能源和环境材料。所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是本硕博研究生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
随波逐流的光线——从“光喷泉”到光纤（点击链接）
神奇的储氢材料（点击链接）
二氧化钒——会“变身”的智能材料（点击链接）
磁性半导体——控电与磁的神奇材料（点击链接）
量子点——色彩缤纷的纳米（点击链接）
细菌克星——金属家族的银和铜（点击链接）
生物传感器——成就了披上战甲的“钢铁侠”（点击链接）
柔性硅材料——信息技术基石的未来（点击链接）
多孔材料——能够浮在水面上的金属（点击链接）
纳米界的足球一富勒烯（点击链接）
材料基因组工程——材料研发模式的创新与变革（点击链接）
锑化物超晶格——黑暗中的捕光者（点击链接）
隐身材料——让“隐身”不再局限于科幻（点击链接）
液晶——物质存在的第四态（点击链接）
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