纸张作为信息的载体，承载了知识的传播与文化的传承，在人类文明中扮演了至关重要的角色。随着柔性电子技术的兴起，具有本征柔性和透气性的纸张成为构筑柔性电子器件的理想基底材料之一。此外，纸张还具有低成本、易获得、可降解等协同优势，为电子器件的绿色可持续生产提供了新的机遇。其中，在纸张上可控图案化具有高导电和导热性能金属导体是构筑高性能纸基器件的关键，然而现有的固态金属导体图案化策略存在导体易断裂失效、加工复杂（如磁控溅射）、不环保（如导电浆料印刷）等问题。
液态金属不仅兼具高导电性和流动性，而且可以实现无溶剂图案化、易于回收等独特优势，是解决现有纸基固态金属导体在在柔性、可加工性及环保性等方面局限的理想材料，具有广阔的应用前景。然而，由于液态金属的高表面张力以及纸张的高粗糙度和化学惰性，液态金属在纸张上难以附着。为解决这一问题，往往需要引入复杂的纸张表面改性，或者对液态金属进行预处理如增强氧化或颗粒化提高附着力。此外，现有的技术仅能在纸张表面构筑液态金属线路，这也使得在实际使用过程中液态金属电极极易被损坏，当然这也是所以开放式液态金属线路普遍存在的问题。因此，发展一种无需对纸张和金属进行预处理，并且能够赋予液态金属抗损伤性能的图案化方法非常有必要。
近日，东南大学刘宏教授和马标博士团队受铅笔芯在剪切力作用下沉积在纸张上的现象启发，发展了一种数字剪切印刷液态金属策略。该方法不仅实现了无需对纸张和金属进行修饰即可在纸张上快速打印，还赋予液态线路抗擦除的特点。作者利用固态镓薄膜低内聚力和易磨损的特点，通过低成本（约200元）数字写字机器人对镓薄膜施加剪切力，进而诱导固态镓和纸张的黏附磨损。在这一过程中，高磨损率的镓被嵌入到纸张纤维网络内部并充当亲金属涂层。此外，由于纸张的塑性变形特性，在压力下纸张表面会同步形成微凹槽结构。因此，当镓被加热到液态时，镓线路被嵌入到表面微凹槽结构中，这种独特的分级嵌入结构能够避免液态线路在外力作用下转移和断裂，进而赋予其优异的抗擦除特性。作者还基于Holm–Archard黏附磨损方程，对剪切印刷的一系列操作参数（如压力、镓的硬度、剪切速度、薄膜厚度等）进行了系统探究，并实现了最小线宽240微米，线距150微米的高质量打印。
在应用方面，作者耦合液态金属变形和纤维在湿度膨胀效应，构筑了非接触的湿度传感界面和呼吸传感器。利用纸张的透气性和液态金属的抗擦除性能，构筑抗失效的电容交互传感界面和穿戴式透气电生理采集电极。此外，作者还展示了这新型图案化技术在纸基数字微流控器件快速低成本制造中的应用。该工作也为重新审视低熔点金属的固态特性，进而发展新型图案化技术和功能器件提供了新的思路。相关研究成果以Digital Shear Printing of Mechanically Robust Liquid Metal Circuits with Hierarchical Embedded Structure for Paper Electronics为题发表在Small Structures上。东南大学数字医学工程全国重点实验室至善博后马标和博士生陈刚胜为论文共同第一作者，刘宏教授和马标博士为通讯作者。
图6 纸基液态金属电子在数字微流控中的应用
文章链接：https://doi.org/10.1002/sstr.202400453
