《Nature Electronics》基于粒子吞噬印刷的柔性电子设备（界面调控/电子皮肤/柔性电子/柔性印刷）

华南理工大学林容周教授，新加坡国立大学John S. Ho教授和美国莱斯大学Yong Lin Kong教授团队合作，在《Nature Electronics)》上发布了一篇题为“Soft electronics based on particle engulfment printing”的论文。论文内容如下：

一、摘要

用功能粒子编程的软聚合物可用于制造本征可拉伸的电子器件。然而，目前制造这类材料的方法要求首先将粒子以胶体形式分散在液体单体或聚合物溶液中，这些液体单体或聚合物溶液的材料兼容性有限，并且在打印过程中需要对相关的流体力学进行精确控制。在此，作者报道了利用粒子包裹（一种粒子通过表面能被聚合物基体自发吸纳的过程）将功能粒子直接掺入软聚合物的方法。当粒子的特征尺寸远小于聚合物基体的弹性毛细长度时就会发生包裹现象，从而形成一种能量稳定的结构，使功能粒子深入嵌入聚合物中。作者利用这种方法制造了具有无线传感、通信和能量传输能力的多层、多材料弹性器件。

二、背景介绍

能够与生物系统相结合的柔性电子器件可用于健康监测、医疗设备、人机交互和增强现实技术等领域。制造这类电子器件需要柔性材料，这些材料能够以特定方式被赋予主动传感和驱动功能，从而克服传统刚性器件与生物组织之间的机械不匹配问题。将功能性颗粒与软性聚合物相结合，可以创造出具有类组织特性的高性能电子器件。然而，现有的实现此类集成的策略并不允许颗粒直接融入软性材料中。相反，它们依赖于将颗粒胶体分散在液态单体或聚合物溶液中，然后通过化学或物理方式将悬浮液转化为软性复合材料。这些方法已被用于制造先进的软性电子器件，但功能集成的程度和潜在性能本质上受到化学非正交性和对复杂流体现象控制不足的限制。

在本文中，作者展示了粒子可以通过粒子吞噬过程直接且异质地融入软弹性聚合物中。粒子吞噬是一种自发过程，当聚合物基体的弹性毛细长度超过粒子的特征长度时发生。粒子通过表面能被浸入基体基质中，模拟液体界面的行为。其结果是，粒子在表面能的驱动下，形成能量稳定的模式，深深嵌入聚合物内部。为了展示这种粒子吞噬印刷工艺的能力，作者利用它制造了可穿戴于皮肤上的弹性电子设备，这些设备作为无线且无需电池的传感器，用于姿态追踪。

三、内容详解

3.1 通过粒子吞噬进行打印

图1 颗粒包埋印刷。a，印刷过程示意图。 颗粒被印刷到电路模板的开放区域，并在包埋时间尺度内深嵌于软质聚合物中。b，左图，在r/L ≫ 1的极限情况下，作用于黏附颗粒下基底的主要作用力。右图，在r/L ≪ 1的极限情况下，颗粒位置由毛细作用力之间的平衡所控制。c，半径为10微米的二氧化硅球与硬质（r/L ≈ 100）和软质（r/L ≈ 0.2）聚合物表面接触后的扫描电子显微镜（SEM）图像。d - f，包埋印刷样品的图像，包括在涂覆有Ecoflex凝胶的柔性乙烯基管上360°印刷的螺旋状银质导电轨迹（d）雪花状水凝胶导电轨道（e）以及一个无线供电的三层器件（f）。该无线器件有三层：天线层（银微粒）、介电层（钛酸钡微粒）和接地层（银微粒）。

3.2 颗粒吞噬特性表征

图2 颗粒吞噬的特性。a，直径d = 0.3、1、5和20μm的二氧化硅球被杨氏模量E处于人体组织范围内的软基质吞噬。b，压痕比h/d对r/L（半径与弹性毛细长度之比）的依赖性。压痕自发产生，其深度在稳态下测量。误差棒表示平均值±标准差（r/L和h/d的样本数分别为n = 5和15）。c，被软基质（E≈20 kPa）吞噬的纳米材料的扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）截面图像。在表面溅射铂（Pt）以与截面形成对比。NP，纳米颗粒；NW，纳米线。d - f，被吞噬和表面黏附的二氧化硅球的压痕比随压力（d）、时间尺度（e）和打印周期（f）的变化。被吞噬和黏附的样品分别用叉号和菱形标记。

3.3 颗粒吞噬印刷性能

作者探索了颗粒吞没的能力，将功能材料直接编程为软复合材料，而不需要复杂的路线。与基于喷射或挤出的印刷相反，没有墨水就不再需要制备均匀分散的胶体悬浮液，以及调节或优化复杂流体和多相胶体传输现象。作为概念证明，作者证明，通过颗粒吞没印刷，可以使用相对简单的模板和刷子将碳纳米管应变计直接印刷到完全固化的A4尺寸弹性体中（图3a）。软功能复合材料可以抵抗任意方向的重复扭曲和拉伸（图3b-c），使它们能够贴合在曲面上。

图3 大面积、多层、多材料打印。a-c，展示了在平坦表面（a）、扭曲（b）和拉伸（c）状态下打印的A4尺寸碳纳米管（CNT）应变传感器片。d，多尺度打印的导电路径光学图像，最小特征尺寸为100微米。e，由SiO2球体和铜纳米线（NW）构成的三层打印结构的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像。f，打印后（左上）、经过5000次拉伸循环后（右上）及在100%应变下（下）的打印SiO2球体横截面图像。g，随着拉伸应变增至100%并释放，打印的银微粒导体（上）和CNT应变传感器（下）的电阻变化。h,i，在50%应变下进行1000次拉伸循环期间，银导体（h）和CNT传感器（i）的电阻变化。

3.4 无线柔性电子的印刷

图4 印刷软性无线电子器件。a、b，安装在食指上的印刷无线应变传感器：示意图(a)和照片(b)。传感器电阻通过近场通信(NFC)无线读取。PIP，近端指间关节；MCP，掌指关节。c，食指弯曲时由智能手机测量的传感器电阻。空心和实心红点分别表示关节处于0°和90°状态。d、e，安装在手腕上的印刷射频识别应变传感器：示意图(d)和照片(e)。f，手腕从0°弯曲至90°状态时，由距离1米的天线测量的反向散射光谱。g、h，安装在肘部的完全可拉伸的印刷无线传感器：示意图(g)和照片(h)。该传感器具有三层结构（银微粒电极、钛酸钡微粒电介质和银微粒天线及电极）。i，肘部从0°弯曲至90°状态时，由外部电感器测量的回波损耗光谱。

四、全文总结

作者报道了一种多功能软聚合物编程的新方法，该方法利用颗粒包覆打印技术。通过利用由表面能驱动的颗粒自发包覆现象，可以直接打印出多种材料，从而创建软质、多层次和多材料的电子设备。能量稳定的构型使得这些设备具有内在的可拉伸性，即使在反复拉伸后仍能保持稳定。作者的颗粒包覆打印方法有潜力用于将活性材料（如半导体传感材料和发光纳米材料）与生物响应聚合物集成，从而创造出高度集成的复杂生物电子设备。

五、文献信息

Lin, R., Jiang, C., Achavananthadith, S. et al. Soft electronics based on particle engulfment printing. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01291-0

来源：感知科学前沿