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北科大王東瑞教授課題組 Small：無(wú)掩模直接印刷制備高分辨率、可定制化、適形性好且可回收的曲面微電極
2025-03-18  來(lái)源：高分子科技

  三維（3D）電子器件憑借其優(yōu)化的空間配置、優(yōu)異的曲面適應(yīng)性和高集成密度等優(yōu)勢(shì)，突破了傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的局限，為健康監(jiān)測(cè)、無(wú)線(xiàn)供能和人機(jī)交互等前沿領(lǐng)域提供了革命性解決方案。然而現(xiàn)有曲面電子制造技術(shù)面臨顯著挑戰(zhàn)：非接觸式紡絲、噴涂沉積、液膜轉(zhuǎn)移、自適應(yīng)3D打印等工藝在制造三維曲面電極時(shí)普遍存在電學(xué)性能不穩(wěn)定、圖案分辨率不足、工藝兼容性有限等瓶頸問(wèn)題。


  針對(duì)這一技術(shù)困局，北京科技大學(xué)王東瑞教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出"直寫(xiě)-轉(zhuǎn)印（DW&T）"制造策略。研究團(tuán)隊(duì)基于前期利用墨水直寫(xiě)技術(shù)制備高性能二維平面電極的積累（ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 9906?9915；ACS Appl. Nano Mater. 2024, 7, 14898?14905），融合轉(zhuǎn)移印刷原理，成功突破傳統(tǒng)DIW技術(shù)對(duì)三維曲面適配性不足的限制。該技術(shù)通過(guò)在聚四氟乙烯（PTFE）柔性基底上制備高精度平面電極，并巧妙利用水凝膠相變特性與PTFE低表面能特性，實(shí)現(xiàn)了電子圖案從二維平面到三維曲面的無(wú)損轉(zhuǎn)移。


  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種DW&T技術(shù)可精準(zhǔn)調(diào)控電極形貌參數(shù)：電極線(xiàn)寬調(diào)控范圍50-400 μm，線(xiàn)高0.07-2.3 μm，最小線(xiàn)間距達(dá)20 μm。更值得關(guān)注的是，該技術(shù)展現(xiàn)出普適性?xún)?yōu)勢(shì)，在貝殼表面復(fù)雜紋理、隱形眼鏡曲面、人體皮膚等復(fù)雜3D基底上均實(shí)現(xiàn)了高精度、高強(qiáng)度的保形貼附，同時(shí)支持通過(guò)水浸處理實(shí)現(xiàn)電極的無(wú)損回收與循環(huán)利用。


  研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了DW&T技術(shù)在生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用——基于該技術(shù)成功制造具有多參數(shù)可調(diào)特性的隱形電子皮膚。這種革新性器件不僅具備優(yōu)異的生物相容性，更實(shí)現(xiàn)了透光率（22.5-88.7%）、面密度（10.1-54.7 mg/cm2）、導(dǎo)電性（0.5×106-2.1×106 S/m）及耐拉伸應(yīng)變特性（可承受50%拉伸應(yīng)變）等關(guān)鍵性能的精準(zhǔn)調(diào)控。利用其高適形、低阻抗、高力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定等特性，電子皮膚可與人體各部位緊密貼合，在保持宿主觸覺(jué)靈敏度和皮膚生理功能完整性的同時(shí)，可連續(xù)7天穩(wěn)定捕獲心電、肌電等微伏級(jí)生物電信號(hào)，為無(wú)感化健康監(jiān)測(cè)提供了新的可靠解決方案。


圖1 曲面電子制備過(guò)程及相應(yīng)的樣品照片


  DW&T技術(shù)可實(shí)現(xiàn)線(xiàn)寬低至50 μm，間距低至20 μm的曲面電子圖案的任意制造。


圖2 圖案的轉(zhuǎn)移機(jī)制及轉(zhuǎn)移前后圖案的光電性能


  通過(guò)控制印刷圖案在干態(tài)和濕凝膠態(tài)兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，可以將PTFE基底上的圖案轉(zhuǎn)移至各種3D曲面上，并且轉(zhuǎn)移后的圖案具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。


圖3 印刷圖案在彎曲、拉伸和回收過(guò)程中表現(xiàn)出電阻穩(wěn)定性


  基于上述方法制備的曲面微電極圖案在彎曲、拉伸、回收實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的電導(dǎo)穩(wěn)定性。


圖4 基于DW&T技術(shù)制備的電子皮膚的各項(xiàng)性能。


圖5 基于DW&T技術(shù)制備的隱形電子皮膚用于收集人體的電生理信號(hào)


  該成果以"Mask-Free Direct Printing of Highly Customizable, Conformable, Robust, and Recyclable Microelectrodes for Advanced Curvy Electronics"為題，發(fā)表于材料科學(xué)期刊《Small》。北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院王東瑞教授為通訊作者，博士研究生孔祥一為第一作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202410201

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（責(zé)任編輯：xu）
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