基于液泡（liquid foam）流变学的柔性电子自适应可配置转印技术

《SCIENCE ADVANCES》：Self-adaptive and configurable transfer printing of flexible electronics via rheology of liquid foam

　　

柔性电子（FEs）具备赋予物体电子学特性与功能的潜力，其关键在于将制备于原始刚性衬底上的器件转移并印刷至目标对象。然而，现有转印技术因固体或液体印章机械性能不可调而适用场景受限。研究人员开发了一种基于液泡独特流变学的自适应可配置转印方法，可实现超薄柔性电子在任意表面的共形、三维及非侵入式集成。液泡展现介于固体与液体之间的自适应机械性能，可在弹性、塑性与动态行为间自发转换。研究人员证实液泡能以无缺陷方式支撑并保持柔性电子形状，以无应力方式使器件适应不规则形貌，并将柔性电子延伸至半封闭对象（即颅腔）内表面，此前此类操作几乎不可行。该方法突破了当前技术瓶颈，为柔性电子在可穿戴与脑机接口（BCI）领域开辟了新机遇。

研究背景方面，柔性电子（FEs，指可拉伸或变形的电子器件）因轻量、柔顺特性在可穿戴设备、植入式生物电子及光电子领域具优势，其厚度已降至亚微米或纳米级，但超薄器件从刚性衬底释放后极难操控，易损或自卷曲。现有转印技术中，固体印章（如弹性体或胶带）曲率变形有限，无法与三维复杂表面共形接触；液体印章（如水转印）虽具流动性但无自支撑、定位不准；可回流材料（如糖）需加热致体积与应力变化，伤器件且不适用生物组织。因此，面向任意表面（含非平面、脆弱体、半封闭内腔）的转印仍待解决。研究人员提出基于液泡（liquid foam，由表面活性剂双分子层包裹气泡构成的软凝聚态物质）流变学的液泡转印（LiFT）技术，结论为液泡兼具固体自支撑与液体流动性，在弹性、塑性、动态行为间自发切换，实现无皱、无应力、共形、非侵入转印，成功将纳微米厚柔性电子集成至I型梁凹面、皮肤复型、蚕体、液滴、冷凝管内壁及颅腔模型皮层，并验证温度传感、衍射光栅等功能，论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

主要关键技术方法方面，研究人员采用常规光刻制备以聚对二甲苯（parylene）/Au双层为主的超薄柔性电子，经水溶性聚丙烯酸（PAA）牺牲层释放使器件浮于液中；向含皂基等表面活性剂溶液鼓气生成微泡簇液泡作为临时载体；利用流变仪测剪切应力-应变与剪切应力-剪切率曲线界定弹性模量（约4.7 Pa，喷嘴0.1 mm）、屈服阈值及剪切稀化非牛顿特性；借助高速摄像与有限元模拟追踪T1气泡重排事件与层流输运；通过负压抽吸驱动液泡携器件进入冷凝管或注射器，去离子水冲洗去除残留。样本涵盖硅片制备的电路、PCB芯片、微升注射器针（半径250 μm）、人指皮肤、蚕（标准无脊椎动物饲养福利规范）、雄蕊、VHB胶带上的液滴、玻璃冷凝管（半径约4 mm）、颅骨模型（微创开口直径2 cm）及皮层电极（500 nm厚、64通道）。

研究结果部分，“液泡转印（LiFT）技术”小节表明，LiFT分五步：光刻制器件、PAA溶解释放浮于液、加表面活性剂鼓泡成液泡抬升器件、液泡作载体转印至目标、水洗或吸纸移除液泡；图例证实其在I型梁凹面、皮肤复型高共形，在蚕体无压贴附（器件弯曲刚度3.37×10^?12 N·m、重约52 μg），在冷凝管与试管内壁实现“由外转内”集成。“液泡流变学与LiFT机制”小节通过Plateau边界结构与Princen-Prud’homme模型指出，低应力下液泡呈弹性（剪切模量随喷嘴直径增大而减小）无皱承片；中应力触发T1事件使气泡重排获塑性共形，器件弯曲应力（～4.49×10^?4 Pa）远低于泡沫接触应力（<0.01 Pa）避损；超屈服后呈Herschel-Bulkley非牛顿动态流动，20 Pa下不流、100 Pa负压层流输运可控。“非平面表面转印”小节将热敏电阻（TCR）传感器共形贴装PCB芯片、250 μm微针、指皮（红外比对线性吻合），蛇形网覆三棱镜锐边，最大面积超100 mm×100 mm、成功率100%。“脆弱可变形表面转印”小节在蚕关节、雄蕊、液滴完成集成，液滴上4 μm周期parylene/Au光栅随滴形变调周期，一级衍射效率10.9%、零级14.1%。“半封闭目标内表面转印”小节携柔性加热器入冷凝管内壁通电升温；基于双步LiFT将500 nm厚64通道皮层电极由生物相容表面活性剂（EHS、CAPB）液泡封装注入颅骨模型微创口，水洗后贴附脑皮层无折叠，模拟证实层流装载与各向同性展开可控。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出柔性电子从平面衬底到任意表面的集成瓶颈在于印章机械性能固化：固体印章曲率有限致应变损伤，液体印章无自支撑致定位差，特殊场景（脆弱体、内表面）几近空白。本研究液泡印章自发切换弹-塑-动三态，使柔性电子在非平面（PCB、皮肤复型）、脆弱面（蚕、液滴）、半封闭内面（冷凝管、颅腔）无损共形，转印后温度传感与红外相机精度匹配、衍射光栅一级效率10.9%。结论为：借助自适应可配置、轻量易除的液泡印章，LiFT将柔性电子带至既往不可达目标，工业与医学转化可通过视觉辅助对齐平台与外导管内镜定位提升精度，生物医用以FDA批准的表面活性剂替代皂液即可推进颅内递送。

（全文约1520汉字）