中國(guó)科學(xué)院團(tuán)隊(duì)開發(fā)薄膜液滴打印技術(shù)

人民網(wǎng)北京9月14日電 （記者趙竹青）記者從中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所獲悉，該所研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位，創(chuàng)新性地提出了一項(xiàng)用于超薄柔性器件轉(zhuǎn)印的新技術(shù)——“液滴打印”。這一方法可以將精細(xì)的電子器件“溫柔地”轉(zhuǎn)移到各種復(fù)雜表面，在不損傷器件的前提下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)貼合。該研究成果已于近日發(fā)表在《Science》期刊上。

在可穿戴電子、腦機(jī)接口、神經(jīng)修復(fù)等前沿技術(shù)中，將電子器件像皮膚一樣保形貼合在生物組織表面是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。常見的柔性電子器件通常由金屬導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料與高分子基底復(fù)合而成，這些電子器件非常柔軟，其厚度僅為幾至幾十微米。

然而，越薄的薄膜，其機(jī)械強(qiáng)度越低，在貼合時(shí)更容易破損。這是因?yàn)楫?dāng)一張薄膜“壓”到起伏不平的曲面時(shí)，它必須經(jīng)歷局部的彎曲、拉伸和剪切等變形，這會(huì)在薄膜內(nèi)部引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中。雖然高分子基底具有一定延展性，但當(dāng)局部應(yīng)力超過材料極限時(shí)，仍會(huì)引起金屬線路斷裂或器件失效。如何實(shí)現(xiàn)電子薄膜的無損保形貼合已成為柔性電子中的瓶頸。

那么，如何解決這個(gè)難題呢？中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林研究團(tuán)隊(duì)別出心裁，借助一滴水，找到了解決方案。

他們基于多年來在打印印刷領(lǐng)域的積累，提出了“液滴打印”技術(shù)，核心在于用液滴作為媒介，通過在電子薄膜與目標(biāo)表面之間構(gòu)建一個(gè)液體潤(rùn)滑界面實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)釋放。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用液滴來拾取和轉(zhuǎn)印薄膜時(shí)，液體會(huì)存在于膜與目標(biāo)表面之間，不僅可以產(chǎn)生毛細(xì)力，逐漸將薄膜“拉貼”在凹凸不平的結(jié)構(gòu)上，而且液體層形成類似潤(rùn)滑油的效果，使薄膜在變形時(shí)可以在潤(rùn)滑液體上自由滑動(dòng)。應(yīng)力集中一旦在薄膜中產(chǎn)生，就會(huì)通過局部滑動(dòng)而有效釋放。同時(shí)，液滴中的微量高分子材料還可以調(diào)控三相接觸線的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)薄膜的高精度轉(zhuǎn)印。

研究團(tuán)隊(duì)通過高速攝像和應(yīng)力分布仿真等多手段驗(yàn)證，液滴打印將原本變形時(shí)累積在膜內(nèi)的應(yīng)力集中分散成一個(gè)均勻、可控的場(chǎng)分布，真正實(shí)現(xiàn)了“貼得好、印得準(zhǔn)、膜不破”。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人驚嘆：即使是厚度僅150納米、頭發(fā)絲尺寸的幾十分之一的金膜，也可以通過液滴打印完好無損地貼合在微米尺寸的草履蟲、蒲公英纖維和貝殼表面。此外，水滴的成分還可以根據(jù)需求調(diào)整，如添加細(xì)胞培養(yǎng)液以“打印”細(xì)胞膜，或引入生物膠水實(shí)現(xiàn)水下粘附。

更重要的是，活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了出色的效果：研究人員將超薄硅基電子膜通過液滴打印技術(shù)打印在小鼠的坐骨神經(jīng)和大腦皮層上，電子膜與動(dòng)物組織形成了無損的保形貼合。隨后通過近紅外光照，成功觸發(fā)小鼠腿部規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并同步采集到清晰的神經(jīng)電信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中，小鼠隨著光照表現(xiàn)出規(guī)律的腿部運(yùn)動(dòng)，其肌電圖和腦電圖信號(hào)同步顯示激活響應(yīng)，完整驗(yàn)證了從光刺激到神經(jīng)響應(yīng)再到動(dòng)作輸出的控制路徑。這一切，僅靠“一滴水”完成轉(zhuǎn)印——既無損組織，又穩(wěn)定高效。

液滴打印打破了傳統(tǒng)器件貼合方式的壁壘，無需外界壓力、無需特殊表面處理、無需粘合劑，適合于活體操作和復(fù)雜曲面的特點(diǎn)，使得這一技術(shù)不僅適用于皮膚電子、腦機(jī)接口、神經(jīng)調(diào)控器件，而且可拓展到可穿戴設(shè)備、智能顯示、生物制造和組織工程等多個(gè)交叉領(lǐng)域。正如本工作的研究者宋延林研究員所言：“隨著科技的進(jìn)步，推動(dòng)文明發(fā)展的印刷術(shù)將不斷煥發(fā)新的生機(jī)”。