废弃贝壳可变烧印电路！中国科学家利用光脉冲转印，首次造出曲面可降解传感器

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，如何制备可以附着在不同复杂自由曲面上的多功能传感器电路，以获得更准确、实时、多设备的通信数据，成为亟待解决的问题。

传统的金属3D打印机虽然可以完成3D金属结构的制备，但其高温的工作环境和硬成品的特性，使得在可穿戴柔性基板和3D复杂自由曲面上制备高精度传感电路变得“困难”。

近年来新兴的直写成型技术有望解决一些曲线电路的制备问题，但耗时长，加工路径设计复杂，合适粘度参数的喷墨材料有限。基于直接强脉冲光诱导锌纳米粒子的延伸技术，在复杂壳体上制作了可降解的功能传感电路。

最近，宾夕法尼亚州立大学(PSU)工程科学和力学系助理教授程寰宇发现了一种在外壳和智能设备上“即时”打印电路的方法。他们首次提出使用脉冲光和延伸技术在毫秒级制备多种不同的3D曲面，以制备基于可降解锌金属层的传感器电路。

该工艺没有严格的制备要求，可以在任何实验室环境下，在室温下快速、大规模、低成本地制备曲面/平面可降解电子器件。该技术可应用于很多领域，如医用可降解植入器件、环境绿色传感器、军事物理自毁保密、智能物联网等。相关论文

相关研究发表在《今日材料》(Materials Today)上，题目是“基于强脉冲光延伸技术的3D复杂表面多功能电路制作技术”。这篇研究通讯的作者是宾夕法尼亚州立大学助理教授程寰宇，第一作者是博士生易宁和高玉燕。利用“转移现象”，可以将纳米锌颗粒制备成三维曲面。

"这项研究源于一个偶然的发现."程寰宇说。

研究人员最初试图通过氙灯烧结锌颗粒来制备可降解电路，但由于锌颗粒容易氧化，其表面的氧化层阻碍了直接烧结，导致研究陷入困境。

之后，程寰宇的团队从问题的本质出发，改变了一个研究思路:既然表面氧化层是不可避免的，那么是否可以用一种临时的过渡衬底和外延技术，将氧化层和内部的金属颗粒分离开来？基于强脉冲光延伸技术的三维复杂表面多功能电路制造工艺示意图

研究小组惊讶地发现，引入临时过渡基底后，锌颗粒可以转移到任何曲面上，大大扩展了光烧结金属颗粒的应用范围。在论文中，该团队展示了将设备转移到烧杯和贝壳的成功案例。

“失败是成功之母，”程寰宇说。“历史上许多重要的科学发现都是在不经意间做出的，甚至是在错误的预期结果中。科研中的这种混乱或随意性，其实也是科研本身的魅力之一。”锌和银的光学图像

只需一步，即可瞬间实现高性能功能器件的低成本、大面积制备。

纳米锌是人体所需的微量元素之一。作为一种金属材料，它们熔点低，可以水解，非常适合于瞬态可降解电子的光烧结。

“我们团队的技术，只需要额外的一个步骤，就可以在不同的曲面衬底上低成本、高速度、大面积地生产出高性能的多功能器件。该技术获得的瞬态可降解电子可进一步进行化学置换反应，获得铜或银的导电层，从而实现电子器件在3D自由复杂曲面上的长期使用。”程寰宇说。

从清华大学毕业后，程寰宇前往西北大学攻读硕士和博士学位，他专注于可用于机器人、生物医学和能源领域的生物电子设备的研发。2015年底，他来到宾夕法尼亚州立大学任教，重点研究可扩展柔性电子器件及其在人体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一种低成本、快速、大面积制备高性能功能器件的方法，以此来“颠覆”光刻的制备技术。程寰宇

那么，传统电子设备面临哪些挑战？

众所周知，在成熟的半导体工业中，通过光刻法制造的传统电子器件具有高精度，但是它们昂贵、复杂且耗时。

但是光刻的制备过程需要在洁净室中完成，其中电子束蒸发和磁控溅射技术需要在高保真空的环境中进行。制备条件极其严格，沉积基底无杂质和挥发性分子，只能制备二维平面薄层材料，在3D复杂自由曲面上无法完成。工作原理示意图

程寰宇团队研发的延伸技术，仅用一步就解决了氧化锌保护膜对金属颗粒烧结过程的干扰。同时，通过金属颗粒的轻烧结和纳米颗粒的传质相结合，可以在毫秒级内快速在3D复杂自由曲面上制作出可降解或传统的高性能传感电路。

这项技术的实现可谓是一个“成功”的过程。程寰宇说，这是一个多物理场耦合问题，包括光能被纳米粒子吸收——光能转化为热能——热能使锌粒子通过纳米间隙转移，然后在3D曲面上沉积烧结的过程。“同时，锌颗粒与靶基底表面的粘附是典型的异质材料界面问题。”

研究人员对每一步都有不同的参数和方案，然后通过管理中的PDCA循环，即Plan(计划)、Do(执行)、Check(检查)和Act(处理)这几个步骤，经过大量的对比和改进实验，最终改进制备工艺。

据介绍，该团队使用的氙灯是一种光谱非常宽的光源，波长从200纳米到微米，方便应用于多种吸收峰不同的微纳米材料，无需针对性地更换光源。此外，其大规模加工制造的特点有利于在工业化中直接快速应用。(a)侧壁上的多功能银基传感电路和(b)它们的接触垫(用于外部连接)在烧杯玻璃的底部表面上形成图案。

可用于医疗传感器、智能物联网等领域。

多功能传感电路包括传感器和天线模块，可以发送和接收数据，可以发送和交互监控数据。如果物联网中的组件有传感和交互模块，它可以为智能提供一个硬件平台。

程寰宇说，延伸技术实现了高性能3D弯曲电路的制备，应用前景包括人体内可降解植入传感器、医用可降解植入器件、环境绿色传感器、军事物理自毁保密、智能物联网等领域。

他解释说，“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附着在人体心脏和大脑等器官的表面，在手术后几周甚至几个月内为医生提供实时数据反馈。然后，在完成功能后，它会在人体内自行降解，而不需要进行第二次手术来取出传感器。”

与机器不同，人体表面具有灵活性、延展性和三维复杂形态的特点。传感器的工作-降解时间可通过可降解包装层进行调节，实现“因人因病”的个体化治疗。

在环境绿色传感器在农业中的应用上，程寰宇举例说，“比如可以应用到一些农作物的叶片上，柔性传感器可以获得更准确、更广泛的农作物生长数据。而且都是生物相容性材料，对环境没有污染。”

此外，该技术的可降解传感器还具有军事用途，具有“用后自毁”功能，具有良好的保密特性。

柔性电子技术已经逐渐渗透到人们的日常生活中，例如柔性屏幕电视和手机。程寰宇认为，技术改变生活，数据服务于人。柔性电子技术是可穿戴设备的未来，尤其是其在医疗领域的应用将是未来的热点。锌沉积的光学轮廓

基于IPLMT Zn和PVA基底的水溶性心电/肌电电极(a)电极在前臂皮肤上的保形接触；(b)由瞬时Zn/PVA电极和商用凝胶电极捕获的ECG信号的比较；(c)由瞬时Zn/PVA电极和商用凝胶电极捕获的EMG信号的比较。

首先，柔性电子可以更好的贴合人体，超薄结构可以抵抗皮肤变形和运动干扰，获得更准确的生理健康数据；相对于冷冰冰的硬设备，柔性电子更人性化。结合无线传输技术，人们可以7天*24小时随时随地获取自己的健康数据。结合大数据、远程医疗等最新技术，可以达到持续监控、实时诊疗的效果。

“智能物联网是我们技术最直观、最快速的商业应用。再者，智能物联网家居可以为独居人群，尤其是老年人的健康监测和健康老龄化提供解决方案。”程寰宇说。

谈及研究的未来发展，程寰宇表示，未来研究的重点将是利用这项技术直接在3D复杂皮肤和器官表面制备传感器(用于移植)。与其他技术方案相比，该技术的低成本和大规模可用性使得中小型样机的优化和验证更加容易，从而实现了从实验室到大规模商业化的跨越。

“未来，我们希望这项技术可以应用到更广泛的材料制备领域，包括导体材料、半导体材料、绝缘体材料等。”程寰宇说。(摘自深科技)(编辑/多罗米)