“當年鮑哲南在南大讀書時，她的老師是薛奇，多年後我的老師也是薛奇。後來，我博士期間到斯坦福大學鮑哲南課題組做了三個月訪問學生。從南大畢業後，我再次來到鮑哲南課題組，這一次是做博士後。等於我和哲南從同門校友變成了師生，”
這是跨越三代人的師生情，故事的主角是來自江蘇連雲港的科學家徐潔。
圖 | 徐潔（來源：受訪者）
徐潔生於 1988 年，今年 33 歲，目前是阿貢實驗室的科學家，前不久上榜了 2021 年度全球 “35 歲以下科技創新 35 人”，上榜理由是“
為類膚質電子裝置製作出了持久耐用、易於生產的聚合物半導體材料”。
具體來說，針對可列印、可延展的電子裝置，她研發出一種能量產的半導體材料。這項創新成就的關鍵之處在於，她發明出了即使在摺疊、扭轉或拉伸的狀態下也能保持正常工作的聚合物電路。
研發新型雙聚合物半導體塗層，既能擴大尺寸又能保持導電性
此前這種可拉伸電路的研發一直受限於材料，直到幾年前，徐潔研發出這樣一種雙聚合物半導體塗層，不僅能把原本尺寸擴充套件兩倍，還能保持材料原有導電性。
該成果的論文，於 2017 年發表在Science，題目為《透過奈米約束效應實現的高可拉伸性聚合物半導體薄膜》（Highly stretchable polymersemiconductor films through thenanoconfinement effect）。
圖 | 相關論文（來源：Science）
這篇論文的主要亮點在於解決了材料方面的限制，沒有半導體一切電子電路都無從談起。而傳統半導體主要以矽為材料，但是矽非常脆弱，幾乎不能承受機械形變。儘管在彎曲效能上，半導體高分子比矽晶體表現更佳，但要想達到橡膠一樣的彈性，仍舊非常困難。
因為這會面臨材料結構上的限制，高效能半導體材料一般要具備高緻密、高規則度的晶體排布，但從材料的基本力學特性上來說，這種排布方式無法承受大規模形變。
此前無法攻克這一難題的原因在於，當時尚無任何半導體材料能在提供實際應用所需要的電學特性的前提下，達到與人體緊密結合所需要的彈性形變能力。
為解決上述難題，徐潔和團隊
運用高分子奈米受限效應，使高分子半導體內部的分子鏈互動作用的狀態、以及排列狀態產生鉅變。同時這一變化，還不會影響高分子半導體的電學特性。
在此情況下，高分子半導體依然具備和矽半導體一樣的電學特性，但材料長度卻是原來的兩倍。這種彈性形變能力，會給拓展器件功能提供更多可能性。
關於導電原理，徐潔告訴 DeepTech，矽是最常見的半導體材料，但它是無機的，做薄的時候雖然可以彎曲、但是稍微拉伸下就會斷裂。
生活中常見的可拉伸材料是橡膠，比如女孩用的皮筋，這是一種聚合物材料，之所以能拉伸，是因為往小尺度來講，其內部就像平時吃的米線和粉絲一樣，多數呈現無順序的網路狀結構，因此即使被拉伸也不會斷掉，這便是聚合物材料的彈性效能。
如果半導體材料想實現這種力學上的彈性，那麼就要考慮如何讓導電效能在聚合物中實現。
圖 | 高度可拉伸的聚合物半導體膜原理圖 （來源：Science）
在聚合物材料中，有一種特殊的材料叫共軛高分子。與普通橡膠材料不同的是，共軛高分子的分子鏈的結構，能讓電子在聚合物分子鏈中傳輸，如此一來聚合物就能用來做半導體材料。
然而，為了實現高分子鏈的良好導電性，這種共軛高分子材料的化學結構往往比較硬，因此不能像橡膠那樣拉很長。而徐潔的貢獻在於，將聚合物材料和另一種橡膠材料混合，形成了一種奈米受限態的形貌，從而發明了可拉伸半導體材料。
圖 | 徐潔的畢業博士論文（來源：資料圖）
事實上，在南大讀書期間，她研究的正是不導電的橡膠和塑膠，而徐潔的畢業博士論文，則是研究奈米尺度下面高分子鏈的動力學效應。
去斯坦福大學做博後研究時，她把博士期間基礎科學的研究成果，用在了導電的高分子材料中，即把奈米受限效應用在其中，讓共軛高分子的分子鏈變得更容易變形，更容易拉伸。據她介紹這種方法如果用於工業製備也很便宜。
在 2017 年成果的基礎上，她又改進了成果，相關論文於 2019 年發表在Nature Materials，論文題為《高可拉伸性聚合物半導體薄膜中的多尺度排序》（Multi-scale ordering in highly stretchable polymer semiconducting films）。
在此前成果中，聚合物的電學效能只跟無定型矽的差不多。2019 年，她優化了製備方法，使用捲到卷（roll-to-roll，R2R）的方法，即可大規模生產半導體膜，半導體傳輸的效率也可提高 3-6 倍。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
她說這種方法有兩大好處：
一是可以大尺度生產；二是讓高分子聚合物取向，提高了電學效能。
2017 年發明此前材料時，她用的是旋轉塗膜的方法，旋轉塗膜只能塗在小尺度的襯底上，如果想實現大規模生產，就得用更有效率的方法，比如前文的捲到卷方法。
捲到卷的塗膜法，就像用一個不斷出墨的毛刷在紙上一直塗，並且在塗膜過程中有一個方向的剪下力，這樣塗出來的高分子聚合物就會全部取向。
就像撒在桌子上的筷子，它們是隨意排列的，而梳理之後，筷子就會更整齊，導電也會更順利。
該工藝的好處在於可以大規模生產半導體膜，成本也很低，因為高分子塗層只有幾十個奈米厚，所以一克重量的樣品可以塗一間房子那麼大的膜。
（來源：Nature）
徐潔表示，本徵可拉伸的材料被髮明以後，就不會犧牲柔性器件的密度。無機材料或者有機小分子材料，一般要用蒸鍍法、或者奈米刻蝕法，而這種材料能用溶液去塗膜，因此成本更低。
另據悉，此項發明已申請專利，共有七八位斯坦福研究人員參與上述研究。除此以外，也有外部企業對該專案提供了資金支援和人員支援。
概括來說，徐潔的多項突破性成果都能應用於柔性電子裝置、可穿戴技術、先進機器人以及人機介面技術等領域。
對於晶片製造來說，材料起著承上啟下的作用。要把一個材料吃透，或者提供出在效能上有突破的材料設計，需要對基礎物理和基礎化學，有非常深入的理解。 另一方面，材料作為重要的技術支撐，可以成為晶片研發的核心突破口。
對於很多材料學家來說，要想把研究真正做得可以解決實際問題，就不能侷限於做出新材料本身，而是在研究立項時就從實際應用出發，去尋找到當前應用最需要解決的技術瓶頸。
事實上，並非材料做出來、發了論文就萬事大吉，科學家最好也參與到應用過程中。
因為在應用過程中，還會發現新的問題，只有憑藉這些反饋，才能進一步去最佳化材料的設計，從而把材料和技術真正結合起來。
為儘可能避免電子汙染而努力
現在，徐潔在阿貢實驗室奈米中心的研究，也延續了上述工作，該中心既自己做科研，也會提供給其他科研院所儀器。
就做科研來說，在高校和在阿貢實驗室基本是一樣的。不過在這裡她不需要上課，但可以招聘博後一起做研究。
圖 | 徐潔（來源：資料圖）
透過在這裡的工作，她一是想提高導電聚合物的效能，二是讓導電聚合物具有更多的新的效能。
她說，以後的高分子絕緣體、高分子半導體、高分子導體，在柔性電子器件中的使用量都會非常大。當前，我們都知道塑膠汙染很嚴重，但電子器件的汙染也很嚴重。
而現在人類在大量發展柔性器件，因此科學家需要思考的是，十年後電子汙染會和塑膠汙染一樣成為很嚴重的問題嗎？所以她現在的工作，不僅要提高導電聚合物效能，還要研究使用之後、如何處理相關電子汙染。
目前徐潔正在尋找能迴圈利用或者可被生物降解的聚合物半導體材料。她表示：“我認為，無論要製造何種類商業化材料，都必須從一開始就抱著這樣的想法。”
如今的她的科學之路“鮮花初綻”，而種子發芽還要從本科說起。本科時，徐潔在南京大學化學化工學院的基礎學科拔尖班讀書，當時班裡只有四個女生。畢業後她直博來到薛奇教授課題組讀博士，南京大學的學習經歷給她夯實了高分子理論知識。
在徐潔讀博期間，薛奇老師給了她很多學習交流的機會，比如在國內外會議上做報告、參與國際交流訪問等。這些極大地開拓思路她的科研思路。談及未來，她表示高分子會給未來的電子器件帶來更多新功能和新應用。
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