廢棄貝殼可變燒印電路！中國科學(xué)家利用光脈沖轉(zhuǎn)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(shè)備的快速發(fā)展，在萬物互聯(lián)（IoT）的新時(shí)代，如何制備出可貼合于不同復(fù)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(shè)備通信數(shù)據(jù)，成為亟待解決的難題。

雖然通過傳統(tǒng)金屬 3D 打印機(jī)能完成 3D 形貌的金屬結(jié)構(gòu)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(fù)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(shù)（direct ink printing）有望解決部分曲面電路的制備問題，但其耗時(shí)時(shí)間長、加工路徑設(shè)計(jì)復(fù)雜，且具有合適黏流性（viscosity）參數(shù)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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。

該工藝無苛刻制備要求，在室溫、任意實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，就可以能快速、大規(guī)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(yī)療可降解植入設(shè)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(qiáng)脈沖光轉(zhuǎn)印技術(shù)的 3D 復(fù)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(zhuǎn)印現(xiàn)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(xiàn)?！背体居钫f。

研究人員最初嘗試用氙燈燒結(jié)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(jié)成型，這使研究一度陷入困境。

之后，程寰宇團(tuán)隊(duì)從問題的本質(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)過渡基底，利用轉(zhuǎn)印技術(shù)，將氧化層與內(nèi)部金屬顆粒分離？


研究團(tuán)隊(duì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，引入臨時(shí)過渡基底后，鋅顆粒可以轉(zhuǎn)印到任意曲面，極大地?cái)U(kuò)展了光致燒結(jié)金屬顆粒的應(yīng)用范圍。在論文中，該團(tuán)隊(duì)展示了將器件轉(zhuǎn)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(xiàn)都是在不經(jīng)意間，甚至在錯(cuò)誤的預(yù)期結(jié)果中得到的。這種科研上的混沌（chaos）或隨機(jī)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(jié)材料。

“我們團(tuán)隊(duì)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(yīng)，得到銅或銀的導(dǎo)電層，以實(shí)現(xiàn)電子器件在 3D 自由復(fù)雜曲面的長久使用?！背体居钫f。

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，其專注于研發(fā)可用于機(jī)器人、生物醫(yī)****及能源領(lǐng)域的生物電子設(shè)備。2015 年底，他來到賓夕法尼亞州立大學(xué)任教，專注研究可延展柔性電子器件及其在人體上的醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用。

多年來，程寰宇教授及其團(tuán)隊(duì)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(tǒng)電子器件面臨著怎樣的挑戰(zhàn)呢？

據(jù)了解，由成熟的半導(dǎo)體行業(yè)中光刻工藝（Photolithography）制備而成的傳統(tǒng)電子器件，雖然精度較高，但是成本昂貴、工序復(fù)雜、耗時(shí)長。

而光刻工藝制備的過程又需要在超凈間內(nèi)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(yán)苛，沉積基底無雜質(zhì)無揮發(fā)性分子，且只能制備二維平面薄層材料，無法在 3D 復(fù)雜的自由曲面上完成。

程寰宇團(tuán)隊(duì)研發(fā)的轉(zhuǎn)印技術(shù)，僅一步工序，就解決了氧化鋅保護(hù)膜對金屬顆粒燒結(jié)過程中的干擾問題；同時(shí)，將金屬顆粒光燒結(jié)和納米顆粒質(zhì)量轉(zhuǎn)移結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在3D復(fù)雜自由曲面上快速毫秒制備可降解或傳統(tǒng)高性能傳感電路。

該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可謂是一個(gè)“過關(guān)斬將”的過程，程寰宇表示，這是一個(gè)多物理場耦合問題，包括光能量被納米顆粒吸收-光能轉(zhuǎn)化為熱能-熱能導(dǎo)致鋅顆粒經(jīng)納米縫隙轉(zhuǎn)移，然后沉積燒結(jié)在 3D 曲面上的過程?！巴瑫r(shí)，鋅顆粒與目標(biāo)基底表面的黏附，又是一個(gè)典型的異質(zhì)材料界面問題?！?br />
研究人員對于每個(gè)步驟都有不同的參數(shù)與方案，然后通過管理學(xué)中的PDCA循環(huán)，即Plan（計(jì)劃）、Do（執(zhí)行）、Check（檢查） 和 Act（處理）的步驟，經(jīng)過大量對照與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，最終完善了制備工藝。


據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(guī)模加工制造的特性，有利于直接、快速地應(yīng)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(shù)據(jù)的天線模塊，可以將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能 3D 曲面電路制備，其應(yīng)用前景包括人體內(nèi)可降解的植入式傳感器、醫(yī)療可降解植入設(shè)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，“例如結(jié)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(nèi)部等器官表面，在術(shù)后數(shù)周乃至數(shù)月的時(shí)間內(nèi)為醫(yī)生提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋。然后，在完成功能后自行在人體內(nèi)降解，而無需二次手術(shù)取出傳感器。”

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

在在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境綠色傳感器方面，程寰宇舉例說道，“比如在一些農(nóng)作物的葉子上應(yīng)用，利用該柔性傳感器可以獲得更精確、廣泛的作物生長數(shù)據(jù)。并且，全部使用的是生物相容性材料，對環(huán)境無污染?！?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(xiàn)“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（來源：Materials Today）

柔性電子技術(shù)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(jī)等。程寰宇認(rèn)為，科技改變生活，數(shù)據(jù)為人服務(wù)。柔性電子技術(shù)是可穿戴器件的未來，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用將是未來發(fā)展的熱門。

首先，柔性電子可以和人體貼合得更好，超薄結(jié)構(gòu)可以抗皮膚變形、運(yùn)動(dòng)干擾，獲得更準(zhǔn)確的生理健康數(shù)據(jù)；相比于冷冰冰的硬質(zhì)設(shè)備，柔性電子更具人文關(guān)懷，結(jié)合無線傳輸技術(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(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程醫(yī)療等最新科技，可以做到時(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)時(shí)診療的效果。

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

談及研究的未來發(fā)展，程寰宇表示，將來的研究重點(diǎn)會(huì)放到使用該技術(shù)直接在 3D 復(fù)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(guī)模使用的特性相比其他技術(shù)方案，更容易實(shí)現(xiàn)中小規(guī)模的原型機(jī)（prototyping）的優(yōu)化和驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模商業(yè)化的跨越。

“未來，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(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料、絕緣體材料等?！背体居畋硎?。

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