中国科学院团队开发薄膜液滴打印技术

本文转自：人民网

人民网北京9月14日电 （记者赵竹青）记者从中国科学院化学研究所获悉，该所研究团队联合多家单位，创新性地提出了一项用于超薄柔性器件转印的新技术——“液滴打印”。这一方法可以将精细的电子器件“温柔地”转移到各种复杂表面，在不损伤器件的前提下实现精准贴合。该研究成果已于近日发表在《Science》期刊上。

在可穿戴电子、脑机接口、神经修复等前沿技术中，将电子器件像皮肤一样保形贴合在生物组织表面是一个关键挑战。常见的柔性电子器件通常由金属导电材料、半导体材料与高分子基底复合而成，这些电子器件非常柔软，其厚度仅为几至几十微米。

然而，越薄的薄膜，其机械强度越低，在贴合时更容易破损。这是因为当一张薄膜“压”到起伏不平的曲面时，它必须经历局部的弯曲、拉伸和剪切等变形，这会在薄膜内部引起严重的应力集中。虽然高分子基底具有一定延展性，但当局部应力超过材料极限时，仍会引起金属线路断裂或器件失效。如何实现电子薄膜的无损保形贴合已成为柔性电子中的瓶颈。

那么，如何解决这个难题呢？中国科学院化学研究所宋延林研究团队别出心裁，借助一滴水，找到了解决方案。

他们基于多年来在打印印刷领域的积累，提出了“液滴打印”技术，核心在于用液滴作为媒介，通过在电子薄膜与目标表面之间构建一个液体润滑界面实现应力的动态释放。他们发现，当使用液滴来拾取和转印薄膜时，液体会存在于膜与目标表面之间，不仅可以产生毛细力，逐渐将薄膜“拉贴”在凹凸不平的结构上，而且液体层形成类似润滑油的效果，使薄膜在变形时可以在润滑液体上自由滑动。应力集中一旦在薄膜中产生，就会通过局部滑动而有效释放。同时，液滴中的微量高分子材料还可以调控三相接触线的运动，实现薄膜的高精度转印。

研究团队通过高速摄像和应力分布仿真等多手段验证，液滴打印将原本变形时累积在膜内的应力集中分散成一个均匀、可控的场分布，真正实现了“贴得好、印得准、膜不破”。

实验结果令人惊叹：即使是厚度仅150纳米、头发丝尺寸的几十分之一的金膜，也可以通过液滴打印完好无损地贴合在微米尺寸的草履虫、蒲公英纤维和贝壳表面。此外，水滴的成分还可以根据需求调整，如添加细胞培养液以“打印”细胞膜，或引入生物胶水实现水下粘附。

更重要的是，活体动物实验展现了出色的效果：研究人员将超薄硅基电子膜通过液滴打印技术打印在小鼠的坐骨神经和大脑皮层上，电子膜与动物组织形成了无损的保形贴合。随后通过近红外光照，成功触发小鼠腿部规律运动，并同步采集到清晰的神经电信号。

实验中，小鼠随着光照表现出规律的腿部运动，其肌电图和脑电图信号同步显示激活响应，完整验证了从光刺激到神经响应再到动作输出的控制路径。这一切，仅靠“一滴水”完成转印——既无损组织，又稳定高效。

液滴打印打破了传统器件贴合方式的壁垒，无需外界压力、无需特殊表面处理、无需粘合剂，适合于活体操作和复杂曲面的特点，使得这一技术不仅适用于皮肤电子、脑机接口、神经调控器件，而且可拓展到可穿戴设备、智能显示、生物制造和组织工程等多个交叉领域。正如本工作的研究者宋延林研究员所言：“随着科技的进步，推动文明发展的印刷术将不断焕发新的生机”。