研究背景
軟電子材料是一類能夠與生物系統(tǒng)集成的材料，因其在健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備、人機(jī)交互和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)剛性電子材料相比，軟電子材料具有良好的可拉伸性和柔性，能夠克服生物組織與剛性設(shè)備之間的機(jī)械不匹配問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的軟電子材料仍面臨著電子性能與可拉伸性之間的權(quán)衡。為了提高設(shè)備的機(jī)械延展性并保持良好的電子性能，研究人員致力于開發(fā)兼具可拉伸性和高性能的軟電子材料。然而，現(xiàn)有的集成功能顆粒與軟聚合物的技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，如流體力學(xué)控制困難和材料兼容性差等問(wèn)題，這些問(wèn)題限制了性能的提升和功能集成的程度。為了解決這一問(wèn)題，華南理工大學(xué)林容周, 新加坡國(guó)立大學(xué)Chengmei Jiang，John S. Ho以及美國(guó)萊斯大學(xué)Yong Lin Kong等合作在“Nature Electronics”期刊上發(fā)表了題為“Soft electronics based on particle engulfment printing”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入顆粒吞噬的方式，將功能顆粒直接融入到軟彈性聚合物中，成功實(shí)現(xiàn)了顆粒與聚合物的高效集成。顆粒吞噬是一種自發(fā)的過(guò)程，當(dāng)聚合物基體的彈性毛細(xì)長(zhǎng)度超過(guò)顆粒的特征長(zhǎng)度時(shí)，顆粒通過(guò)表面能被深深地嵌入聚合物基體中，形成一個(gè)能量穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)方法中將顆粒分散在液體單體或聚合物溶液中的方法不同，這一新方法無(wú)需依賴復(fù)雜的流體力學(xué)控制，大大提高了材料的性能和可操作性。 利用這一方法，研究團(tuán)隊(duì)成功制造了多層次、多材料的彈性電子設(shè)備，這些設(shè)備不僅具有高機(jī)械延展性，還具備無(wú)線傳感、通信和電力傳輸功能。通過(guò)該方法制備的設(shè)備在無(wú)線、無(wú)需電池的姿態(tài)追蹤傳感器方面取得了顯著進(jìn)展，展示了軟電子設(shè)備在健康監(jiān)測(cè)和生物集成應(yīng)用中的巨大潛力。這一研究成果為軟電子材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了新的思路，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在醫(yī)療和生物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
研究亮點(diǎn)
- 本研究首次提出并展示了通過(guò)顆粒吞噬將功能性顆粒直接嵌入軟聚合物基體中的方法。顆粒吞噬是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程，當(dāng)顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于聚合物的彈性毛細(xì)長(zhǎng)度時(shí)，顆粒會(huì)通過(guò)表面能被聚合物基體自發(fā)吞噬，形成深度嵌入的穩(wěn)定配置。這一創(chuàng)新方法避免了傳統(tǒng)的膠體分散液和流體力學(xué)控制問(wèn)題，提供了更高的集成度和性能。
- 該方法被應(yīng)用于制造多層次、多材料結(jié)構(gòu)的軟電子設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感、通信及電力傳輸?shù)裙δ堋＿@些設(shè)備不僅具有良好的機(jī)械延展性，還能夠與生物系統(tǒng)兼容，適用于健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。此外，得益于顆粒吞噬過(guò)程的高效性，這些設(shè)備具有更高的集成度和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)軟電子設(shè)備中材料兼容性和流體現(xiàn)象控制難度大的問(wèn)題。
- 實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)方法，顆粒吞噬方法顯著提升了功能顆粒與軟聚合物的結(jié)合強(qiáng)度和穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)材料中因化學(xué)非正交性導(dǎo)致的性能損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用這一方法制造的軟電子設(shè)備在電氣性能和機(jī)械性能方面都表現(xiàn)出更優(yōu)的表現(xiàn)，特別是在無(wú)線傳感和功率傳輸方面展現(xiàn)了出色的應(yīng)用潛力。
圖文解讀
總結(jié)展望
本文報(bào)道了一種多功能的軟聚合物編程方法，采用顆粒吞噬打印技術(shù)。通過(guò)利用表面能驅(qū)動(dòng)顆粒的自發(fā)吞噬作用，可以直接打印一系列材料，制造出柔性、多層次、多材料的電子設(shè)備。該能量穩(wěn)定的配置使得設(shè)備本身具有本質(zhì)的可拉伸性，并且在反復(fù)拉伸后仍能保持其穩(wěn)定性。作者的顆粒吞噬打印方法有望將有源材料，如半導(dǎo)體傳感材料和發(fā)光納米材料，與生物響應(yīng)聚合物集成，進(jìn)而創(chuàng)造出高度集成的復(fù)雜生物電子設(shè)備。 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
