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

近年來，隨著可穿戴設備的快速發展，在萬物互聯（IoT）的新時代，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、實時、多設備通信數據，成為亟待解決的難題。

雖然通過傳統金屬 3D 打印機能完成 3D 形貌的金屬結構制備，但其高溫工作環境、硬質成品的特性，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”。

近年來新興的直寫成型技術（direct ink printing）有望解決部分曲面電路的制備問題，但其耗時時間長、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（PSU）工程科學與力學系助理教授程寰宇團隊發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，在毫秒量級的時間制備了多種不同 3D 曲面制備基于鋅金屬層可降解的傳感電路。

該工藝無苛刻制備要求，在室溫、任意實驗室環境下，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，該技術可用于醫療可降解植入設備、環境綠色傳感器、軍用物理自破環保密、智能物聯網等多領域。

8 月 5 日，相關研究以《基于強脈沖光轉印技術的 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）為題發表在 Materials Today。該研究通訊作者是賓夕法尼亞州立大學助理教授程寰宇，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

“該研究起源于一個偶然的發現。”程寰宇說。

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，程寰宇團隊從問題的本質出發，換了一種研究思路：既然表面氧化層不可避免，可否利用一層臨時過渡基底，利用轉印技術，將氧化層與內部金屬顆粒分離？


研究團隊驚奇地發現，引入臨時過渡基底后，鋅顆粒可以轉印到任意曲面，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，其實是科研本身具有的魅力之一。”

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低、可水解，非常適用于瞬態可降解電子的光致燒結材料。

“我們團隊的技術，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。通過該技術所得的瞬態可降解電子還可以進一步進行化學置換反應，得到銅或銀的導電層，以實現電子器件在 3D 自由復雜曲面的長久使用。”程寰宇說。

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

多年來，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。

那么，傳統電子器件面臨著怎樣的挑戰呢？

據了解，由成熟的半導體行業中光刻工藝（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、耗時長。

而光刻工藝制備的過程又需要在超凈間內完成，其中電子束蒸鍍、磁控濺鍍技術等需要在高真空環境中進行。其制備條件要求極為嚴苛，沉積基底無雜質無揮發性分子，且只能制備二維平面薄層材料，無法在 3D 復雜的自由曲面上完成。

程寰宇團隊研發的轉印技術，僅一步工序，就解決了氧化鋅保護膜對金屬顆粒燒結過程中的干擾問題；同時，將金屬顆粒光燒結和納米顆粒質量轉移結合，實現了在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。

該技術的實現可謂是一個“過關斬將”的過程，程寰宇表示，這是一個多物理場耦合問題，包括光能量被納米顆粒吸收-光能轉化為熱能-熱能導致鋅顆粒經納米縫隙轉移，然后沉積燒結在 3D 曲面上的過程。“同時，鋅顆粒與目標基底表面的黏附，又是一個典型的異質材料界面問題。”

研究人員對于每個步驟都有不同的參數與方案，然后通過管理學中的PDCA循環，即Plan（計劃）、Do（執行）、Check（檢查） 和 Act（處理）的步驟，經過大量對照與改進實驗，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、快速地應用在產業化。

多功能傳感電路中包括傳感器及可發送和接收數據的天線模塊，可以將所監測到的數據進行傳輸交互。如果物聯網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，該轉印技術實現了高性能 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、環境綠色傳感器、軍用物理自破環保密、智能物聯網等領域。

他對 DeepTech 解釋稱，“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，在術后數周乃至數月的時間內為醫生提供實時數據反饋。然后，在完成功能后自行在人體內降解，而無需二次手術取出傳感器。”

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-降解時間通過可降解封裝層調節，可以實現“因人而異、因病而定”的個性化治療。

在在農業領域應用環境綠色傳感器方面，程寰宇舉例說道，“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、廣泛的作物生長數據。并且，全部使用的是生物相容性材料，對環境無污染。”

此外，該技術的可降解傳感器在軍事上也有“用武之地”，并具備實現“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 Zn/PVA 電極和商業凝膠電極捕獲的 ECG 信號的比較；(c) 瞬時 Zn/PVA 電極和商業凝膠電極捕獲的 EMG 信號的比較（來源：Materials Today）

柔性電子技術已開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。柔性電子技術是可穿戴器件的未來，尤其是在醫療領域的應用將是未來發展的熱門。

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、運動干擾，獲得更準確的生理健康數據；相比于冷冰冰的硬質設備，柔性電子更具人文關懷，結合無線傳輸技術，人們可以 7*24 小時在任何時間、地點獲得自己的健康數據，結合大數據，遠程醫療等最新科技，可以做到時時監測，實時診療的效果。

“智能物聯網是我們的這項技術最直觀、可快速實現的規模商業化應用。更進一步，智能物聯家居可為獨居人群，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。”程寰宇說。

談及研究的未來發展，程寰宇表示，將來的研究重點會放到使用該技術直接在 3D 復雜皮膚和（用于移植的）器官表面制備傳感器。該技術的低成本、可大規模使用的特性相比其他技術方案，更容易實現中小規模的原型機（prototyping）的優化和驗證，從而實現從實驗室到大規模商業化的跨越。

“未來，我們希望該技術適用于更廣闊的材料制備領域，包括導體材料、半導體材料、絕緣體材料等。”程寰宇表示。

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