柔性电子，Nature Electronics！

文摘 2025-01-09 17:03 上海

FUTURE | 远见

FUTURE | 远见闵青云选编

近期，华南理工大学林容周, 新加坡国立大学Chengmei Jiang，John S. Ho以及美国莱斯大学Yong Lin Kong等合作在Nature Electronics期刊上发表了题为「Soft electronics based on particle engulfment printing」的最新论文。该团队通过引入颗粒吞噬的方式，将功能颗粒直接融入到软弹性聚合物中，成功实现了颗粒与聚合物的高效集成。这一新方法无需依赖复杂的流体力学控制，大大提高了材料的性能和可操作性。

研究背景

软电子材料是一类能够与生物系统集成的材料，因其在健康监测、医疗设备、人机交互和增强现实等领域的广泛应用前景而备受关注。与传统刚性电子材料相比，软电子材料具有良好的可拉伸性和柔性，能够克服生物组织与刚性设备之间的机械不匹配问题。然而，现有的软电子材料仍面临着电子性能与可拉伸性之间的权衡。为了提高设备的机械延展性并保持良好的电子性能，研究人员致力于开发兼具可拉伸性和高性能的软电子材料。然而，现有的集成功能颗粒与软聚合物的技术仍面临一些挑战，如流体力学控制困难和材料兼容性差等问题，这些问题限制了性能的提升和功能集成的程度。

为了解决这一问题，华南理工大学林容周, 新加坡国立大学Chengmei Jiang，John S. Ho以及美国莱斯大学Yong Lin Kong等合作，通过引入颗粒吞噬的方式，将功能颗粒直接融入到软弹性聚合物中，成功实现了颗粒与聚合物的高效集成。颗粒吞噬是一种自发的过程，当聚合物基体的弹性毛细长度超过颗粒的特征长度时，颗粒通过表面能被深深地嵌入聚合物基体中，形成一个能量稳定的结构。与传统方法中将颗粒分散在液体单体或聚合物溶液中的方法不同，这一新方法无需依赖复杂的流体力学控制，大大提高了材料的性能和可操作性。

利用这一方法，研究团队成功制造了多层次、多材料的弹性电子设备，这些设备不仅具有高机械延展性，还具备无线传感、通信和电力传输功能。通过该方法制备的设备在无线、无需电池的姿态追踪传感器方面取得了显著进展，展示了软电子设备在健康监测和生物集成应用中的巨大潜力。这一研究成果为软电子材料的设计与应用提供了新的思路，具有广泛的应用前景，尤其是在医疗和生物监测领域。

研究亮点

本研究首次提出并展示了通过颗粒吞噬将功能性颗粒直接嵌入软聚合物基体中的方法。颗粒吞噬是一个自发的过程，当颗粒的尺寸远小于聚合物的弹性毛细长度时，颗粒会通过表面能被聚合物基体自发吞噬，形成深度嵌入的稳定配置。这一创新方法避免了传统的胶体分散液和流体力学控制问题，提供了更高的集成度和性能。

该方法被应用于制造多层次、多材料结构的软电子设备，成功实现了无线传感、通信及电力传输等功能。这些设备不仅具有良好的机械延展性，还能够与生物系统兼容，适用于健康监测、医疗设备等领域。此外，得益于颗粒吞噬过程的高效性，这些设备具有更高的集成度和稳定性，解决了传统软电子设备中材料兼容性和流体现象控制难度大的问题。

实验通过对比传统方法，颗粒吞噬方法显著提升了功能颗粒与软聚合物的结合强度和稳定性，克服了传统材料中因化学非正交性导致的性能损失。实验结果表明，采用这一方法制造的软电子设备在电气性能和机械性能方面都表现出更优的表现，特别是在无线传感和功率传输方面展现了出色的应用潜力。

图文解读

图1 | 颗粒吞咽engulfment打印。

图2 | 颗粒吞咽的表征。

图3 | 大面积、多层、多材料印刷。

图4 | 打印软无线电子设备。

总结展望

本文报道了一种多功能的软聚合物编程方法，采用颗粒吞噬打印技术。通过利用表面能驱动颗粒的自发吞噬作用，可以直接打印一系列材料，制造出柔性、多层次、多材料的电子设备。该能量稳定的配置使得设备本身具有本质的可拉伸性，并且在反复拉伸后仍能保持其稳定性。作者的颗粒吞噬打印方法有望将有源材料，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，进而创造出高度集成的复杂生物电子设备。

原文详情：

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

--半导体技术情报

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