废弃贝壳可变烧印电路！中国科学家利用光脉冲转印，首次造出3D曲面可降解传感器丨专访

近年来，随着可穿戴设备的快速发展，在万物互联（IoT）的新时代，如何制备出可贴合于不同复杂自由曲面的多功能传感电路，以获得更精确、实时、多设备通信数据，成为亟待解决的难题。

虽然通过传统金属 3D 打印机能完成 3D 形貌的金属结构制备，但其高温工作环境、硬质成品的特性，使得其在可穿戴柔性基底及 3D 复杂自由曲面制备高精度传感电路变得“困难重重”。

近年来新兴的直写成型技术（direct ink printing）有望解决部分曲面电路的制备问题，但其耗时时间长、加工路径设计复杂，且具有合适黏流性（viscosity）参数的喷墨材料也有限。

近日，宾夕法尼亚州立大学（PSU）工程科学与力学系助理教授程寰宇团队发现了一种在贝壳和智能器件上可“瞬间”印电路的方法。他们首次提出利用脉冲光及转印技术，在毫秒量级的时间制备了多种不同 3D 曲面制备基于锌金属层可降解的传感电路。

该工艺无苛刻制备要求，在室温、任意实验室环境下，就可以能快速、大规模、低成本地制备曲面/平面可降解电子器件，该技术可用于医疗可降解植入设备、环境绿色传感器、军用物理自破环保密、智能物联网等多领域。

8 月 5 日，相关研究以《基于强脉冲光转印技术的 3D 复杂表面多功能电路制备工艺》（Fabricating functional circuits on 3D freeform surfaces via intense pulsed light-induced zinc mass transfer）为题发表在 Materials Today。该研究通讯作者是宾夕法尼亚州立大学助理教授程寰宇，第一作者为博士生衣宁、高玉岩。

利用“转印现象”，可将纳米锌颗粒制备到 3D 曲面

“该研究起源于一个偶然的发现。”程寰宇说。

研究人员最初尝试用氙灯烧结锌颗粒制备可降解电路，但是由于锌颗粒易氧化，其表面的氧化层阻碍了直接烧结成型，这使研究一度陷入困境。

之后，程寰宇团队从问题的本质出发，换了一种研究思路：既然表面氧化层不可避免，可否利用一层临时过渡基底，利用转印技术，将氧化层与内部金属颗粒分离？


研究团队惊奇地发现，引入临时过渡基底后，锌颗粒可以转印到任意曲面，极大地扩展了光致烧结金属颗粒的应用范围。在论文中，该团队展示了将器件转印到烧杯和贝壳上的成功案例。


“失败乃成功之母”，程寰宇表示，“历史上很多科研的重****现都是在不经意间，甚至在错误的预期结果中得到的。这种科研上的混沌（chaos）或随机性，其实是科研本身具有的魅力之一。”

纳米锌颗粒是人体所需的微量元素之一，作为金属材料其熔点低、可水解，非常适用于瞬态可降解电子的光致烧结材料。

“我们团队的技术，仅增加一步工序，就可以低成本、快速、大面积、在不同曲面基底上制备高性能多功能器件。通过该技术所得的瞬态可降解电子还可以进一步进行化学置换反应，得到铜或银的导电层，以实现电子器件在 3D 自由复杂曲面的长久使用。”程寰宇说。

程寰宇从清华大学毕业后，赴美国西北大学攻读硕士、博士，其专注于研发可用于机器人、生物医****及能源领域的生物电子设备。2015 年底，他来到宾夕法尼亚州立大学任教，专注研究可延展柔性电子器件及其在人体上的医疗健康领域的应用。

多年来，程寰宇教授及其团队一直在寻找低成本、快速、大面积地制备高性能功能器件的方法，以“颠覆”光刻工艺的制备技术。

那么，传统电子器件面临着怎样的挑战呢？

据了解，由成熟的半导体行业中光刻工艺（Photolithography）制备而成的传统电子器件，虽然精度较高，但是成本昂贵、工序复杂、耗时长。

而光刻工艺制备的过程又需要在超净间内完成，其中电子束蒸镀、磁控溅镀技术等需要在高真空环境中进行。其制备条件要求极为严苛，沉积基底无杂质无挥发性分子，且只能制备二维平面薄层材料，无法在 3D 复杂的自由曲面上完成。

程寰宇团队研发的转印技术，仅一步工序，就解决了氧化锌保护膜对金属颗粒烧结过程中的干扰问题；同时，将金属颗粒光烧结和纳米颗粒质量转移结合，实现了在3D复杂自由曲面上快速毫秒制备可降解或传统高性能传感电路。

该技术的实现可谓是一个“过关斩将”的过程，程寰宇表示，这是一个多物理场耦合问题，包括光能量被纳米颗粒吸收-光能转化为热能-热能导致锌颗粒经纳米缝隙转移，然后沉积烧结在 3D 曲面上的过程。“同时，锌颗粒与目标基底表面的黏附，又是一个典型的异质材料界面问题。”

研究人员对于每个步骤都有不同的参数与方案，然后通过管理学中的PDCA循环，即Plan（计划）、Do（执行）、Check（检查） 和 Act（处理）的步骤，经过大量对照与改进实验，最终完善了制备工艺。


据介绍，该团队使用的氙灯是非常宽频谱的光源，波长从 200 纳米到微米，方便应用在多种具有不同吸收峰的微纳米材料，而不用针对性地更换光源。此外，其大规模加工制造的特性，有利于直接、快速地应用在产业化。

多功能传感电路中包括传感器及可发送和接收数据的天线模块，可以将所监测到的数据进行传输交互。如果物联网中的组件具有传感和交互模块，那便可以为智能化提供硬件平台。

程寰宇表示，该转印技术实现了高性能 3D 曲面电路制备，其应用前景包括人体内可降解的植入式传感器、医疗可降解植入设备、环境绿色传感器、军用物理自破环保密、智能物联网等领域。

他对 DeepTech 解释称，“例如结合生物相容性水凝胶基底，多功能可降解传感器可以贴在人体心脏、大脑内部等器官表面，在术后数周乃至数月的时间内为医生提供实时数据反馈。然后，在完成功能后自行在人体内降解，而无需二次手术取出传感器。”

不同于机器，人体表面具有柔性、可延展、3D 复杂形貌的特征。传感器的工作-降解时间通过可降解封装层调节，可以实现“因人而异、因病而定”的个性化治疗。

在在农业领域应用环境绿色传感器方面，程寰宇举例说道，“比如在一些农作物的叶子上应用，利用该柔性传感器可以获得更精确、广泛的作物生长数据。并且，全部使用的是生物相容性材料，对环境无污染。”

此外，该技术的可降解传感器在军事上也有“用武之地”，并具备实现“用后自毁”的功能，具有良好的保密特性。

图丨基于 IPLMT Zn 和 PVA 基材的水溶性 ECG/EMG 电极（a）电极在前臂皮肤上的保形接触；(b) 瞬时 Zn/PVA 电极和商业凝胶电极捕获的 ECG 信号的比较；(c) 瞬时 Zn/PVA 电极和商业凝胶电极捕获的 EMG 信号的比较（来源：Materials Today）

柔性电子技术已开始慢慢地渗透在人们的日常生活中，比如柔性屏电视、手机等。程寰宇认为，科技改变生活，数据为人服务。柔性电子技术是可穿戴器件的未来，尤其是在医疗领域的应用将是未来发展的热门。

首先，柔性电子可以和人体贴合得更好，超薄结构可以抗皮肤变形、运动干扰，获得更准确的生理健康数据；相比于冷冰冰的硬质设备，柔性电子更具人文关怀，结合无线传输技术，人们可以 7*24 小时在任何时间、地点获得自己的健康数据，结合大数据，远程医疗等最新科技，可以做到时时监测，实时诊疗的效果。

“智能物联网是我们的这项技术最直观、可快速实现的规模商业化应用。更进一步，智能物联家居可为独居人群，特别是老年群体的健康监测和健康老龄化（healthy aging）提供解决方案。”程寰宇说。

谈及研究的未来发展，程寰宇表示，将来的研究重点会放到使用该技术直接在 3D 复杂皮肤和（用于移植的）器官表面制备传感器。该技术的低成本、可大规模使用的特性相比其他技术方案，更容易实现中小规模的原型机（prototyping）的优化和验证，从而实现从实验室到大规模商业化的跨越。

“未来，我们希望该技术适用于更广阔的材料制备领域，包括导体材料、半导体材料、绝缘体材料等。”程寰宇表示。

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