華南理工大學林容周教授，新加坡國立大學John S. Ho教授和美國萊斯大學Yong Lin Kong教授團隊合作，在《Nature Electronics)》上發布了一篇題為“Soft electronics based on particle engulfment printing”的論文。論文內容如下：

一、摘要

用功能粒子編程的軟聚合物可用于制造本征可拉伸的電子器件。然而，目前制造這類材料的方法要求首先將粒子以膠體形式分散在液體單體或聚合物溶液中，這些液體單體或聚合物溶液的材料兼容性有限，并且在打印過程中需要對相關的流體力學進行精確控制。在此，作者報道了利用粒子包裹（一種粒子通過表面能被聚合物基體自發吸納的過程）將功能粒子直接摻入軟聚合物的方法。當粒子的特征尺寸遠小于聚合物基體的彈性毛細長度時就會發生包裹現象，從而形成一種能量穩定的結構，使功能粒子深入嵌入聚合物中。作者利用這種方法制造了具有無線傳感、通信和能量傳輸能力的多層、多材料彈性器件。

二、背景介紹

能夠與生物系統相結合的柔性電子器件可用于健康監測、醫療設備、人機交互和增強現實技術等領域。制造這類電子器件需要柔性材料，這些材料能夠以特定方式被賦予主動傳感和驅動功能，從而克服傳統剛性器件與生物組織之間的機械不匹配問題。將功能性顆粒與軟性聚合物相結合，可以創造出具有類組織特性的高性能電子器件。然而，現有的實現此類集成的策略并不允許顆粒直接融入軟性材料中。相反，它們依賴于將顆粒膠體分散在液態單體或聚合物溶液中，然后通過化學或物理方式將懸浮液轉化為軟性復合材料。這些方法已被用于制造先進的軟性電子器件，但功能集成的程度和潛在性能本質上受到化學非正交性和對復雜流體現象控制不足的限制。

在本文中，作者展示了粒子可以通過粒子吞噬過程直接且異質地融入軟彈性聚合物中。粒子吞噬是一種自發過程，當聚合物基體的彈性毛細長度超過粒子的特征長度時發生。粒子通過表面能被浸入基體基質中，模擬液體界面的行為。其結果是，粒子在表面能的驅動下，形成能量穩定的模式，深深嵌入聚合物內部。為了展示這種粒子吞噬印刷工藝的能力，作者利用它制造了可穿戴于皮膚上的彈性電子設備，這些設備作為無線且無需電池的傳感器，用于姿態追蹤。

三、內容詳解

3.1 通過粒子吞噬進行打印

圖1 顆粒包埋印刷。a，印刷過程示意圖。 顆粒被印刷到電路模板的開放區域，并在包埋時間尺度內深嵌于軟質聚合物中。b，左圖，在r/L ? 1的極限情況下，作用于黏附顆粒下基底的主要作用力。右圖，在r/L ? 1的極限情況下，顆粒位置由毛細作用力之間的平衡所控制。c，半徑為10微米的二氧化硅球與硬質（r/L ≈ 100）和軟質（r/L ≈ 0.2）聚合物表面接觸后的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。d - f，包埋印刷樣品的圖像，包括在涂覆有Ecoflex凝膠的柔性乙烯基管上360°印刷的螺旋狀銀質導電軌跡（d）雪花狀水凝膠導電軌道（e）以及一個無線供電的三層器件（f）。該無線器件有三層：天線層（銀微粒）、介電層（鈦酸鋇微粒）和接地層（銀微粒）。

3.2 顆粒吞噬特性表征

圖2 顆粒吞噬的特性。a，直徑d = 0.3、1、5和20μm的二氧化硅球被楊氏模量E處于人體組織范圍內的軟基質吞噬。b，壓痕比h/d對r/L（半徑與彈性毛細長度之比）的依賴性。壓痕自發產生，其深度在穩態下測量。誤差棒表示平均值±標準差（r/L和h/d的樣本數分別為n = 5和15）。c，被軟基質（E≈20 kPa）吞噬的納米材料的掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線光譜（EDS）截面圖像。在表面濺射鉑（Pt）以與截面形成對比。NP，納米顆粒；NW，納米線。d - f，被吞噬和表面黏附的二氧化硅球的壓痕比隨壓力（d）、時間尺度（e）和打印周期（f）的變化。被吞噬和黏附的樣品分別用叉號和菱形標記。

3.3 顆粒吞噬印刷性能

作者探索了顆粒吞沒的能力，將功能材料直接編程為軟復合材料，而不需要復雜的路線。與基于噴射或擠出的印刷相反，沒有墨水就不再需要制備均勻分散的膠體懸浮液，以及調節或優化復雜流體和多相膠體傳輸現象。作為概念證明，作者證明，通過顆粒吞沒印刷，可以使用相對簡單的模板和刷子將碳納米管應變計直接印刷到完全固化的A4尺寸彈性體中（圖3a）。軟功能復合材料可以抵抗任意方向的重復扭曲和拉伸（圖3b-c），使它們能夠貼合在曲面上。

圖3 大面積、多層、多材料打印。a-c，展示了在平坦表面（a）、扭曲（b）和拉伸（c）狀態下打印的A4尺寸碳納米管（CNT）應變傳感器片。d，多尺度打印的導電路徑光學圖像，最小特征尺寸為100微米。e，由SiO2球體和銅納米線（NW）構成的三層打印結構的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像。f，打印后（左上）、經過5000次拉伸循環后（右上）及在100%應變下（下）的打印SiO2球體橫截面圖像。g，隨著拉伸應變增至100%并釋放，打印的銀微粒導體（上）和CNT應變傳感器（下）的電阻變化。h,i，在50%應變下進行1000次拉伸循環期間，銀導體（h）和CNT傳感器（i）的電阻變化。

3.4 無線柔性電子的印刷

圖4 印刷軟性無線電子器件。a、b，安裝在食指上的印刷無線應變傳感器：示意圖(a)和照片(b)。傳感器電阻通過近場通信(NFC)無線讀取。PIP，近端指間關節；MCP，掌指關節。c，食指彎曲時由智能手機測量的傳感器電阻。空心和實心紅點分別表示關節處于0°和90°狀態。d、e，安裝在手腕上的印刷射頻識別應變傳感器：示意圖(d)和照片(e)。f，手腕從0°彎曲至90°狀態時，由距離1米的天線測量的反向散射光譜。g、h，安裝在肘部的完全可拉伸的印刷無線傳感器：示意圖(g)和照片(h)。該傳感器具有三層結構（銀微粒電極、鈦酸鋇微粒電介質和銀微粒天線及電極）。i，肘部從0°彎曲至90°狀態時，由外部電感器測量的回波損耗光譜。

四、全文總結

作者報道了一種多功能軟聚合物編程的新方法，該方法利用顆粒包覆打印技術。通過利用由表面能驅動的顆粒自發包覆現象，可以直接打印出多種材料，從而創建軟質、多層次和多材料的電子設備。能量穩定的構型使得這些設備具有內在的可拉伸性，即使在反復拉伸后仍能保持穩定。作者的顆粒包覆打印方法有潛力用于將活性材料（如半導體傳感材料和發光納米材料）與生物響應聚合物集成，從而創造出高度集成的復雜生物電子設備。

五、文獻信息

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

來源：感知科學前沿