激光诱导能量场重编程聚合物多孔膜用于多功能柔性电子

《Journal of Materials Science & Technology》：Laser-induced energy-field reprogramming of polymeric porous membranes for multifunctional flexible electronics

　　

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  正交激光活化生成Cu⁰位点，用于低损伤铜金属化。
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  金属化膜具有低电阻、强附着力及透气性。
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  透气性Cu电极可可靠记录ECG、EMG和EOG信号。
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  Cu衍生的CuO电极可实现灵敏的可穿戴葡萄糖监测。

引言

柔性电子技术通过实现电子功能与机械柔顺性的无缝集成，彻底改变了健康监测、可穿戴和软体机器人系统的设计[[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]]。为确保在长期变形、汗液和环境波动下的可靠运行，柔性平台必须兼具高导电性、强附着力和充分的透气性[10,11]。多孔柔性基底，如纤维滤膜[12]、机织织物[13,14]、聚合物泡沫[15]或纳米纤维毡[16,17]，具有轻质、透气性和机械回弹性等内在优势，使其成为下一代可穿戴和生物电子系统的理想候选材料[18]。然而，这些材料通常是电绝缘和化学惰性的，这限制了它们仅作为被动层而非主动功能平台使用[19,20]。因此，将此类多孔基底转化为可重构的多功能电子系统，不仅是一个材料集成挑战，更是多孔软物质中基本的能量-结构耦合问题。

用于柔性基底的常规金属化技术已显著推动了柔性电子领域的发展。高温烧结方法可获得高导电性金属膜；然而，高温往往会引起热敏性多孔膜的变形、收缩或降解[21,22]。光刻技术具有高图案化精度，但通常依赖真空工艺、光刻胶和多步制造流程，这些不适合机械柔顺且结构非均质的纤维基底[23,24]。基于印刷的方法（如喷墨印刷和丝网印刷）提供了可扩展且低成本的途径，但往往存在金属-聚合物附着力不足以及在准三维（3D）多孔纤维网络内涂层不均匀的问题[[25]，[26]，[27]，[28]]。因此，实现同时具备强附着力、在反复变形和洗涤条件下的机械耐久性以及保持基底渗透性的导电结构仍然具有挑战性。这些方法主要依赖于加成沉积或高能工艺，往往将功能集成与多孔基底的结构保持相分离。因此，开发一种非接触、低能量、空间可控的策略，能够在保持结构完整性的同时重新编程功能状态，是非常可取的。

空间控制的能量场为应对这些挑战提供了一条有前景但尚未充分建立的途径[29,30]。通过在不接触的情况下局部传递能量，它们可以诱导选择性化学反应和功能转化，同时保持多孔结构[31,32]。与基于溶液或热驱动的方法相比，能量场调制具有更高的空间分辨率、非接触操作以及与复杂分级结构的更好兼容性。其中，激光辐照因其可编程的空间能量分布以及与多尺度结构的精确相互作用而特别具有吸引力[[33]，[34]，[35]]。然而，多孔纤维材料通常表现出高度非均质的准三维结构，其中纤维直径、孔径分布和层间构型强烈影响能量吸收和耗散。过度的局部能量输入可能导致纤维熔化、断裂或孔塌陷，而能量不足则无法触发稳定的功能转化。因此，空间可编程的能量再分布能否在多孔软物质中解耦功能激活与结构退化，仍是一个开放且基本的问题。

在此，我们建立了一种能量场重编程策略，以解决在多孔软物质系统中平衡催化位点形成与结构保持这一基本挑战（图1(a)）。以双层聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）-聚四氟乙烯（PTFE）膜为模型基底，空间编程的激光辐照能够在膜表面受控生成催化活性的Cu⁰位点，而非体相结构修饰。该策略不依赖于固定的扫描协议，而是根据膜结构调节时空热输入。对于纤维状PET表面，采用正交双程模式，即依次进行垂直（V）和水平（H）扫描，作为代表性实施方案。在此，“等温”指通过热再分布维持相当的活化温度窗口并降低空间温度变化，而非实现严格均匀的温度场（图1(b)和补充信息中的图S1）。随后的化学镀铜（ECP）将该能量编程的催化格局转化为连续、致密的Cu网络，具有高导电性、强附着力以及优异的弯曲、洗涤和揉皱耐久性。重编程的Cu骨架进一步作为金属和金属氧化物结构的通用支架，实现了生物电子传感和多模态驱动方面的代表性演示（图1(c)）。总之，这项工作为多孔材料中的可编程能量-结构耦合建立了一种可扩展策略，实现了高保真图案化以及将无源过滤膜转化为可重构软电子系统。

章节片段

PET–PTFE滤膜上Cu层的制备工艺

商用PET–PTFE滤膜具有双层结构，包含亲水性PET纤维网络和具有可调润湿性的PTFE层，为可编程功能化提供了代表性的多孔软物质平台（图S2和图S3）。导电金属化通过激光诱导的能量场重编程随后进行ECP来实现（图1(d)）。在此，能量场重编程指对激光能量输入的结构自适应调控，以在空间上

结论

总之，这项工作建立了一个能量场重编程平台，用于将多孔柔性基底转化为多功能软电子系统。通过对激光能量输入进行结构自适应调控，随后进行化学镀铜，热能量的空间再分布能够在纤维膜内实现温度平衡的催化编程，产生连续且机械稳健的导电网络，同时保持固有的柔性和保留

CRediT作者贡献声明

徐浩然：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，方法学，研究，形式分析，数据管理，概念化。陆浩：研究，数据管理。王嘉欣：形式分析，数据管理。罗鹏安：数据管理。李思颖：数据管理。赵鑫：形式分析。余非凡：形式分析。冯瑾：形式分析。程诗：数据管理。周涛：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，验证，监督，项目

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。

致谢

T. Zhou感谢国家自然科学基金（资助号：52573230和52073194）、先进材料-国家科技重大专项（资助号：2024ZD0607400）、四川省科技计划（资助号：2026NSFSCZY0008和2022JDRC0020）、四川大学工程多学科特色方向项目（资助号：2020SCUNG203）以及先进聚合物材料国家重点实验室（资助号：sklapm2025-1-11）。

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