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  用注射器將微型電子芯片注入人體，發(fā)揮功用后的芯片自動(dòng)溶解在人體之中，這似乎是只能在科幻電影里才能見(jiàn)到的場(chǎng)景，而如今柔性瞬態(tài)電子器件的開(kāi)發(fā)將這一想象變?yōu)榭赡堋?

  近日，天津大學(xué)精儀學(xué)院生物微流體和柔性電子實(shí)驗(yàn)室的黃顯教授與密蘇里科技大學(xué)Heng Pan教授共同完成一系列探索，在瞬態(tài)電子制造領(lǐng)域取得重大突破，實(shí)現(xiàn)了在低溫狀態(tài)和無(wú)水環(huán)境下的柔性瞬態(tài)電子器件的加工。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在電子和材料領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《Small》和《Advanced Materials》上。黃顯教授是這兩篇文章的通訊作者。

  可溶性生物降解材料如手術(shù)縫合線已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，逐漸被公眾所熟知，但科學(xué)家們對(duì)生物可溶性材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此。近幾年，越來(lái)越多的研究集中于利用生物可溶性材料開(kāi)發(fā)功能性器件，瞬態(tài)電子器件應(yīng)運(yùn)而生。瞬態(tài)器件又稱生物可溶性器件，是指能夠在可控的時(shí)間內(nèi)工作，完成工作后器件溶解在所處的環(huán)境中且不產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)。

  瞬態(tài)器件在植入式醫(yī)療和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，使用生物可溶性材料制作的電子設(shè)備一旦植入到人體，在完成其功能后，能夠自行溶解在體內(nèi)，無(wú)需二次手術(shù)，既能減輕病人的痛苦，還能減少醫(yī)療資源的浪費(fèi)。此外，使用生物可溶性材料所開(kāi)發(fā)的電子元器件，在其功能完成之后可溶解于水中，便于將電路上的電子元件回收，還不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。

  雖然瞬態(tài)器件在健康和環(huán)保領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景，卻并未實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。其加工方法繁瑣，工藝和選材上受到很大限制是原因之一。生物可溶性材料大都基于對(duì)于濕度和溫度敏感的可溶性材料，易與集成電路常用的各種包含羥基的溶劑發(fā)生反應(yīng)。另外，生物可溶性聚合物的熔點(diǎn)或玻璃化溫度較低，不適合生產(chǎn)傳統(tǒng)電子元器件的高溫加工方法。

  傳統(tǒng)的瞬態(tài)器件加工方法非常復(fù)雜費(fèi)時(shí)，需要依靠特殊的手工轉(zhuǎn)印方法，在常規(guī)基底上加工得到的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到生物可溶性基底上。一個(gè)典型的瞬態(tài)器件的生產(chǎn)往往需要花費(fèi)將近一周的時(shí)間以及近千元的成本。

  為了解決瞬態(tài)器件加工成本高工藝繁瑣的難題，天津大學(xué)精儀學(xué)院黃顯教授設(shè)計(jì)研發(fā)出兩項(xiàng)柔性瞬態(tài)電子器件加工新技術(shù)——光脈沖燒結(jié)和激光蒸鍍，實(shí)現(xiàn)在低溫狀態(tài)和無(wú)水環(huán)境下瞬態(tài)器件的低成本制造。這兩項(xiàng)技術(shù)分別發(fā)表在電子和材料領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《Small》和《Advanced Materials》上。

  黃顯教授的團(tuán)隊(duì)以對(duì)生物體本身無(wú)害的金屬鋅為原料，采用球磨方法，將鋅的納米顆粒打磨到100納米以內(nèi)，從而獲得瞬態(tài)金屬納米顆粒。研磨后納米粒子好比“墨水”，利用先進(jìn)的光脈沖的方式，將“墨水”直接燒結(jié)到可溶解的聚合物基底上，從而“繪制”出高導(dǎo)電性瞬態(tài)金屬圖案。導(dǎo)電率高達(dá)44 643 S m-1，創(chuàng)造了目前基于印刷方式的瞬態(tài)金屬顆粒導(dǎo)電率的最高記錄。

  第二種激光蒸鍍技術(shù)，則是通過(guò)激光掃描鋅納米顆粒的方式制造導(dǎo)電瞬態(tài)金屬圖案。將鋅納米顆粒沉積在玻璃片上并進(jìn)行激光掃描，鋅納米顆粒會(huì)由于激光加熱而形成鋅的蒸汽，最終在生物可溶性基底上冷凝沉積。通過(guò)對(duì)玻璃片和生物可溶性基底之間距離的控制，來(lái)控制蒸汽沉積的速率，還可以通過(guò)控制激光的速度與掃描路線來(lái)設(shè)計(jì)圖案，控制每一位點(diǎn)的導(dǎo)電性能（最高可達(dá)1.1×106 S m-1）。

  黃顯教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這兩項(xiàng)技術(shù)為全球瞬態(tài)電子制造領(lǐng)域首次應(yīng)用，克服了瞬態(tài)金屬納米顆粒易受空氣中的氧氣和水分影響的缺點(diǎn)，為瞬態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展提供了重要的加工方法。通過(guò)該方法制造的瞬態(tài)器件具有高導(dǎo)電性、低溫安全、無(wú)污染的特點(diǎn)，其形態(tài)輕薄、可彎可折，平均厚度不超過(guò)10微米，不到頭發(fā)絲直徑的十分之一。

  這項(xiàng)研究技術(shù)極大地減小了瞬態(tài)器件的使用成本，使得瞬態(tài)器件更大程度地與人們的日常生活相結(jié)合。為人類健康監(jiān)測(cè)、診斷、治療和康復(fù)提供新的解決方案。這項(xiàng)研究還會(huì)極大改變現(xiàn)在的印刷電路工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，如材料的供給、加工設(shè)備的生產(chǎn)和電子元件的回收。未來(lái)，瞬態(tài)電路極有可能會(huì)代替那些永久性的電路應(yīng)用于諸如便攜式設(shè)備、家用電器和其它消費(fèi)產(chǎn)品中。

  黃顯教授來(lái)自于天津大學(xué)精儀學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，2015年入選中組部國(guó)家青年千人計(jì)劃。黃顯教授帶領(lǐng)的天津大學(xué)生物微流體和柔性電子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)以瞬態(tài)可溶性電子、柔性生物傳感器和柔性表皮電子的研究為主。實(shí)驗(yàn)室擁有集成了生物微流體和柔性電子加工、測(cè)試和仿真為一體的開(kāi)放性研究平臺(tái)。

  論文鏈接：