廢棄貝殼可變燒印電路！中國科學(xué)家利用光脈沖轉印，首次造出3D曲面可降解傳感器丨專(zhuān)訪(fǎng)

近年來(lái)，隨著(zhù)可穿戴設備的快速發(fā)展，在萬(wàn)物互聯(lián)（IoT）的新時(shí)代，如何制備出可貼合于不同復雜自由曲面的多功能傳感電路，以獲得更精確、實(shí)時(shí)、多設備通信數據，成為亟待解決的難題。

雖然通過(guò)傳統金屬 3D 打印機能完成 3D 形貌的金屬結構制備，但其高溫工作環(huán)境、硬質(zhì)成品的特性，使得其在可穿戴柔性基底及 3D 復雜自由曲面制備高精度傳感電路變得“困難重重”。

近年來(lái)新興的直寫(xiě)成型技術(shù)（direct ink printing）有望解決部分曲面電路的制備問(wèn)題，但其耗時(shí)時(shí)間長(cháng)、加工路徑設計復雜，且具有合適黏流性（viscosity）參數的噴墨材料也有限。

近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)（PSU）工程科學(xué)與力學(xué)系助理教授程寰宇團隊發(fā)現了一種在貝殼和智能器件上可“瞬間”印電路的方法。他們首次提出利用脈沖光及轉印技術(shù)，在毫秒量級的時(shí)間制備了多種不同 3D 曲面制備基于鋅金屬層可降解的傳感電路。

該工藝無(wú)苛刻制備要求，在室溫、任意實(shí)驗室環(huán)境下，就可以能快速、大規模、低成本地制備曲面/平面可降解電子器件，該技術(shù)可用于醫療可降解植入設備、環(huán)境綠色傳感器、軍用物理自破環(huán)保密、智能物聯(lián)網(wǎng)等多領(lǐng)域。

8 月 5 日，相關(guān)研究以《基于強脈沖光轉印技術(shù)的 3D 復雜表面多功能電路制備工藝》（Fabricating functional circuits on 3D freeform surfaces via intense pulsed light-induced zinc mass transfer）為題發(fā)表在 Materials Today。該研究通訊作者是賓夕法尼亞州立大學(xué)助理教授程寰宇，第一作者為博士生衣寧、高玉巖。

利用“轉印現象”，可將納米鋅顆粒制備到 3D 曲面

“該研究起源于一個(gè)偶然的發(fā)現?！背体居钫f(shuō)。

研究人員最初嘗試用氙燈燒結鋅顆粒制備可降解電路，但是由于鋅顆粒易氧化，其表面的氧化層阻礙了直接燒結成型，這使研究一度陷入困境。

之后，程寰宇團隊從問(wèn)題的本質(zhì)出發(fā)，換了一種研究思路：既然表面氧化層不可避免，可否利用一層臨時(shí)過(guò)渡基底，利用轉印技術(shù)，將氧化層與內部金屬顆粒分離？


研究團隊驚奇地發(fā)現，引入臨時(shí)過(guò)渡基底后，鋅顆?？梢赞D印到任意曲面，極大地擴展了光致燒結金屬顆粒的應用范圍。在論文中，該團隊展示了將器件轉印到燒杯和貝殼上的成功案例。


“失敗乃成功之母”，程寰宇表示，“歷史上很多科研的重****現都是在不經(jīng)意間，甚至在錯誤的預期結果中得到的。這種科研上的混沌（chaos）或隨機性，其實(shí)是科研本身具有的魅力之一?！?br />

納米鋅顆粒是人體所需的微量元素之一，作為金屬材料其熔點(diǎn)低、可水解，非常適用于瞬態(tài)可降解電子的光致燒結材料。

“我們團隊的技術(shù)，僅增加一步工序，就可以低成本、快速、大面積、在不同曲面基底上制備高性能多功能器件。通過(guò)該技術(shù)所得的瞬態(tài)可降解電子還可以進(jìn)一步進(jìn)行化學(xué)置換反應，得到銅或銀的導電層，以實(shí)現電子器件在 3D 自由復雜曲面的長(cháng)久使用?！背体居钫f(shuō)。

程寰宇從清華大學(xué)畢業(yè)后，赴美國西北大學(xué)攻讀碩士、博士，其專(zhuān)注于研發(fā)可用于機器人、生物醫****及能源領(lǐng)域的生物電子設備。2015 年底，他來(lái)到賓夕法尼亞州立大學(xué)任教，專(zhuān)注研究可延展柔性電子器件及其在人體上的醫療健康領(lǐng)域的應用。

多年來(lái)，程寰宇教授及其團隊一直在尋找低成本、快速、大面積地制備高性能功能器件的方法，以“顛覆”光刻工藝的制備技術(shù)。

那么，傳統電子器件面臨著(zhù)怎樣的挑戰呢？

據了解，由成熟的半導體行業(yè)中光刻工藝（Photolithography）制備而成的傳統電子器件，雖然精度較高，但是成本昂貴、工序復雜、耗時(shí)長(cháng)。

而光刻工藝制備的過(guò)程又需要在超凈間內完成，其中電子束蒸鍍、磁控濺鍍技術(shù)等需要在高真空環(huán)境中進(jìn)行。其制備條件要求極為嚴苛，沉積基底無(wú)雜質(zhì)無(wú)揮發(fā)性分子，且只能制備二維平面薄層材料，無(wú)法在 3D 復雜的自由曲面上完成。

程寰宇團隊研發(fā)的轉印技術(shù)，僅一步工序，就解決了氧化鋅保護膜對金屬顆粒燒結過(guò)程中的干擾問(wèn)題；同時(shí)，將金屬顆粒光燒結和納米顆粒質(zhì)量轉移結合，實(shí)現了在3D復雜自由曲面上快速毫秒制備可降解或傳統高性能傳感電路。

該技術(shù)的實(shí)現可謂是一個(gè)“過(guò)關(guān)斬將”的過(guò)程，程寰宇表示，這是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題，包括光能量被納米顆粒吸收-光能轉化為熱能-熱能導致鋅顆粒經(jīng)納米縫隙轉移，然后沉積燒結在 3D 曲面上的過(guò)程?！巴瑫r(shí)，鋅顆粒與目標基底表面的黏附，又是一個(gè)典型的異質(zhì)材料界面問(wèn)題?！?br />
研究人員對于每個(gè)步驟都有不同的參數與方案，然后通過(guò)管理學(xué)中的PDCA循環(huán)，即Plan（計劃）、Do（執行）、Check（檢查） 和 Act（處理）的步驟，經(jīng)過(guò)大量對照與改進(jìn)實(shí)驗，最終完善了制備工藝。


據介紹，該團隊使用的氙燈是非常寬頻譜的光源，波長(cháng)從 200 納米到微米，方便應用在多種具有不同吸收峰的微納米材料，而不用針對性地更換光源。此外，其大規模加工制造的特性，有利于直接、快速地應用在產(chǎn)業(yè)化。

多功能傳感電路中包括傳感器及可發(fā)送和接收數據的天線(xiàn)模塊，可以將所監測到的數據進(jìn)行傳輸交互。如果物聯(lián)網(wǎng)中的組件具有傳感和交互模塊，那便可以為智能化提供硬件平臺。

程寰宇表示，該轉印技術(shù)實(shí)現了高性能 3D 曲面電路制備，其應用前景包括人體內可降解的植入式傳感器、醫療可降解植入設備、環(huán)境綠色傳感器、軍用物理自破環(huán)保密、智能物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

他對 DeepTech 解釋稱(chēng)，“例如結合生物相容性水凝膠基底，多功能可降解傳感器可以貼在人體心臟、大腦內部等器官表面，在術(shù)后數周乃至數月的時(shí)間內為醫生提供實(shí)時(shí)數據反饋。然后，在完成功能后自行在人體內降解，而無(wú)需二次手術(shù)取出傳感器?！?/span>

不同于機器，人體表面具有柔性、可延展、3D 復雜形貌的特征。傳感器的工作-降解時(shí)間通過(guò)可降解封裝層調節，可以實(shí)現“因人而異、因病而定”的個(gè)性化治療。

在在農業(yè)領(lǐng)域應用環(huán)境綠色傳感器方面，程寰宇舉例說(shuō)道，“比如在一些農作物的葉子上應用，利用該柔性傳感器可以獲得更精確、廣泛的作物生長(cháng)數據。并且，全部使用的是生物相容性材料，對環(huán)境無(wú)污染?！?br />
此外，該技術(shù)的可降解傳感器在軍事上也有“用武之地”，并具備實(shí)現“用后自毀”的功能，具有良好的保密特性。

圖丨基于 IPLMT Zn 和 PVA 基材的水溶性 ECG/EMG 電極（a）電極在前臂皮膚上的保形接觸；(b) 瞬時(shí) Zn/PVA 電極和商業(yè)凝膠電極捕獲的 ECG 信號的比較；(c) 瞬時(shí) Zn/PVA 電極和商業(yè)凝膠電極捕獲的 EMG 信號的比較（來(lái)源：Materials Today）

柔性電子技術(shù)已開(kāi)始慢慢地滲透在人們的日常生活中，比如柔性屏電視、手機等。程寰宇認為，科技改變生活，數據為人服務(wù)。柔性電子技術(shù)是可穿戴器件的未來(lái)，尤其是在醫療領(lǐng)域的應用將是未來(lái)發(fā)展的熱門(mén)。

首先，柔性電子可以和人體貼合得更好，超薄結構可以抗皮膚變形、運動(dòng)干擾，獲得更準確的生理健康數據；相比于冷冰冰的硬質(zhì)設備，柔性電子更具人文關(guān)懷，結合無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，人們可以 7*24 小時(shí)在任何時(shí)間、地點(diǎn)獲得自己的健康數據，結合大數據，遠程醫療等最新科技，可以做到時(shí)時(shí)監測，實(shí)時(shí)診療的效果。

“智能物聯(lián)網(wǎng)是我們的這項技術(shù)最直觀(guān)、可快速實(shí)現的規模商業(yè)化應用。更進(jìn)一步，智能物聯(lián)家居可為獨居人群，特別是老年群體的健康監測和健康老齡化（healthy aging）提供解決方案?！背体居钫f(shuō)。

談及研究的未來(lái)發(fā)展，程寰宇表示，將來(lái)的研究重點(diǎn)會(huì )放到使用該技術(shù)直接在 3D 復雜皮膚和（用于移植的）器官表面制備傳感器。該技術(shù)的低成本、可大規模使用的特性相比其他技術(shù)方案，更容易實(shí)現中小規模的原型機（prototyping）的優(yōu)化和驗證，從而實(shí)現從實(shí)驗室到大規模商業(yè)化的跨越。

“未來(lái)，我們希望該技術(shù)適用于更廣闊的材料制備領(lǐng)域，包括導體材料、半導體材料、絕緣體材料等?！背体居畋硎?。

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