《Science》子刊：可軟可硬,！鎵-銅復(fù)合3D打印墨水

來源：L EngineeringForLife

如今，電子產(chǎn)品在材料選擇上已經(jīng)取得了顯著進展,，以滿足社會各方面的多樣化需求,，無論是剛性材料還是柔性材料。剛性材料主要用于便攜式和用戶友好的手持界面,，如智能手機和平板電腦,。相比之下，柔性材料由于其固有的柔韌性和能夠無縫適應(yīng)人體輪廓的能力,，在可穿戴應(yīng)用方面具有巨大潛力,。然而，一個挑戰(zhàn)仍然存在：現(xiàn)代電子產(chǎn)品的固定機械剛度限制了它們的廣泛應(yīng)用,。剛性電子產(chǎn)品難以適應(yīng)我們的皮膚或器官,，而柔性電子產(chǎn)品缺乏足夠的剛度來有效承載負荷。最近,，一個潛在的解決方案以“轉(zhuǎn)變型電子系統(tǒng)（TES）”的形式出現(xiàn),，可以在剛性和柔性之間進行轉(zhuǎn)換。通過簡單調(diào)節(jié)剛度和可伸縮性,，TES在提高電子產(chǎn)品的適應(yīng)性,、便利性和多功能性方面展示了無限潛力，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域,。利用鎵構(gòu)建的機械轉(zhuǎn)變電子系統(tǒng)（TES）已成為一類創(chuàng)新的電子產(chǎn)品,，因其能夠在剛性和柔性狀態(tài)之間切換，從而擴展了電子產(chǎn)品的多樣性,。然而,，鎵的高表面張力和低粘度給制造帶來了挑戰(zhàn)，限制了TES的高分辨率圖案制作,。

為了解決這個挑戰(zhàn),，來自韓國科學(xué)技術(shù)院的Steve Park和Jae-Woong Jeong團隊引入了一種可調(diào)硬度的鎵-銅復(fù)合墨水，能夠直接墨水書寫打印復(fù)雜的TES電路,，具有高分辨率（約50微米）圖案,、高導(dǎo)電性和雙向軟硬轉(zhuǎn)換性。這些特點使得可以設(shè)計復(fù)雜程度類似于傳統(tǒng)打印電路板的轉(zhuǎn)變型生物電子產(chǎn)品,。這些TES在室溫下保持剛性,，便于操作，但在體溫下軟化并適應(yīng)彎曲的組織表面,，適應(yīng)動態(tài)組織變形,。所提出的直接墨水書寫打印墨水使TES的制造變得簡單而多樣化，為可穿戴設(shè)備、植入式設(shè)備,、消費電子和機器人領(lǐng)域帶來了新的可能性,。相關(guān)工作以題為“Body-temperature softening electronic ink for additive manufacturing of transformative bioelectronics via direct writing”的文章發(fā)表在2024年2月28日的國際頂級期刊《Science Advances》。

1. 創(chuàng)新型研究內(nèi)容

本研究提出了一種一步可制備,、可調(diào)硬度的鎵-銅（Ga-Cu）復(fù)合電子墨水,，設(shè)計用于基于噴嘴的DIW打印高分辨率的轉(zhuǎn)變型電子系統(tǒng)（TES）電路板，既可以作為電子層,，又可以作為機械轉(zhuǎn)變框架,。之前的研究嘗試將高銅含量（銅的重量百分比為18-52％）的銅摻入鎵中，以實現(xiàn)復(fù)合墨水的快速硬化（在60℃下60分鐘內(nèi)）成為固態(tài)金屬間化合物（CuGa2）,，用于高分辨率打印,。然而，這種墨水缺乏對TES制造至關(guān)重要的硬度可調(diào)性,，并且在基于噴嘴的直接書寫打印過程中容易堵塞噴嘴,。為了克服這個問題，本研究開發(fā)了一種具有優(yōu)化低銅含量的鎵-銅復(fù)合墨水,，即使經(jīng)過數(shù)月的儲存,，也不會通過金屬間化合物形成而凝固,，同時實現(xiàn)了出色的微尺度打印均勻性,。本研究通過系統(tǒng)研究鎵基體中銅含量的方式，調(diào)節(jié)墨水的潤濕性,、粘度和表面張力等特性,，以確保高分辨率打印。打印的鎵-銅復(fù)合墨水形成具有卓越特性的圖案：（i）高硬度可調(diào)性（對于150μm厚的器件,，硬度調(diào)節(jié)比為990）,，（ii）高電導(dǎo)率（在銅含量為5.0 wt %時，為3.69×106 S m−1,；比純鎵提高了約8%）,，以及（iii）高分辨率（約50μm）的圖案化能力。制造的TES器件展示了溫度依賴的相變效應(yīng),，實現(xiàn)了關(guān)鍵的雙向硬度調(diào)節(jié),。本研究通過兩個設(shè)備展示了這些特點：（i）超薄的表皮光電容積描記（PPG）設(shè)備用于脈搏感應(yīng)，和（ii）精心設(shè)計的無線光電子設(shè)備,。這些轉(zhuǎn)變型設(shè)備在室溫下保持剛性以便于操作,，但在體溫下無縫適應(yīng)皮膚的皺紋和曲線。它們還突出顯示了高分辨率的圖案制作和對寬度和厚度的精確控制,。這種一步可制備,、可調(diào)硬度墨水和快速、高分辨率的直接書寫打印方法的綜合優(yōu)點簡化了TES的構(gòu)建,，為該領(lǐng)域帶來了新的機會,。

【可調(diào)硬度的鎵銅復(fù)合墨水直接書寫打印用于多功能TES的增材制造概述】
圖1展示了一步可制備的鎵銅復(fù)合墨水直接書寫打印在TES中提供的關(guān)鍵優(yōu)勢,。鎵銅復(fù)合墨水通過單步、無溶劑超聲處理液態(tài)鎵和銅填料（球形直徑為10至25μm）制備而成,，其中銅填料的重量百分比為最佳值（5.0 wt %）,。銅填料通過增加墨水的粘度和降低鎵的表面張力來作為流變學(xué)修飾劑，實現(xiàn)高分辨率的圖案制作,。這些填料還由于其高熱導(dǎo)率（320.72 W m−1 K−1）改善了熱傳導(dǎo),，并作為成核劑促進了固態(tài)和液態(tài)之間的快速相變。這種墨水在制備上的簡易性使其與傳統(tǒng)方法相比具有明顯優(yōu)勢,。傳統(tǒng)方法通常需要繁瑣的預(yù)處理步驟（如酸處理和真空干燥）,，或者后處理步驟（如焙燒），而我們的鎵銅復(fù)合墨水不需要嚴(yán)苛的處理,。鎵銅復(fù)合墨水具有高度可打印性,、可調(diào)硬度和易加工性，使其成為高分辨率打印功能性TES的理想構(gòu)建單元,。

使用這種墨水的直接書寫打印為TES提供了多種靈活的生產(chǎn)能力,。首先，它利用增材制造技術(shù),，在各種基底上實現(xiàn)了出色的可打印性,，包括非常高粘合力（VHB）透明膠帶（3M）、紙張,、膠帶,、泡沫膠帶（3M）、聚[苯乙烯-b-(乙烯-co-丁烯)-b-苯乙烯]（SEBS）,、聚二甲基硅氧烷（PDMS）,、聚酰亞胺（PI）薄膜和透明膠帶，如圖1A（a）所示,。這種多功能性結(jié)合了無需嚴(yán)苛的后處理,，使直接書寫打印成為通用應(yīng)用的理想選擇。此外,，預(yù)設(shè)的打印噴嘴運動允許制作各種尺寸的定制設(shè)備（圖1A,，b），而墨水在室溫下保持形狀的特性使其能夠打印高導(dǎo)電性的自由懸浮橋式結(jié)構(gòu),，而無需機械支撐（圖1A,，c）。墨水的卓越導(dǎo)電性使得機械可調(diào)的電路可以直接集成到電子元件中,，無需額外的電路層,。最后，通過調(diào)控打印速度、擠出速率和噴嘴尺寸等工藝參數(shù),，可以輕松精確地控制線寬/厚度,，實現(xiàn)最小的圖案分辨率為50μm（圖1A，d）,。

圖1 關(guān)于可調(diào)硬度鎵銅復(fù)合墨水的直接書寫打印,，用于多功能轉(zhuǎn)變型電子系統(tǒng)（TES）的增材制造概述

【對可調(diào)硬度的鎵銅復(fù)合墨水進行系統(tǒng)研究】
本研究的可調(diào)硬度的鎵銅復(fù)合墨水是通過將5.0 wt %的銅填料（10至25μm）分散到液態(tài)鎵中使用尖端超聲儀（圖2A，左側(cè)2）制備而成,。本研究評估了各種金屬填料候選材料,，包括銀（Ag）、鎳（Ni）和銅（Cu）,，由于銅具有高電導(dǎo)率,、優(yōu)異的熱導(dǎo)率（320.72 W m−1 K−1）和低成本，因此銅成為本研究的電子墨水復(fù)合材料的最佳選擇,。在超聲處理過程中,，探頭振動產(chǎn)生的剪切力和空化效應(yīng)破壞了鎵的氧化皮，并將銅填料分散其中,。此外,，振動探頭產(chǎn)生的熱量使鎵保持液態(tài)，進一步促進了與銅填料的充分混合（圖2A,，右側(cè)）,。因此，超聲處理時間顯著影響銅填料分散的均勻性,。圖2B比較了超聲處理1分鐘和5分鐘后的鎵銅復(fù)合材料的能量色散X射線光譜（EDS）映像圖,。雖然1分鐘的超聲處理導(dǎo)致銅填料的非均勻分散和局部聚集,，從而導(dǎo)致打印分辨率低或噴嘴堵塞（圖2B,，左下方），但足夠長的超聲處理時間（5分鐘或更長）可以實現(xiàn)銅填料的均勻分散（圖2B,，右下方）,。

圖2 對可轉(zhuǎn)化模式的鎵銅復(fù)合墨水進行化學(xué)、流變學(xué)和熱學(xué)特性的表征

【對打印條件和打印TES的電-機械特性進行系統(tǒng)研究】

針對墨水的流變性質(zhì)進行的打印條件的系統(tǒng)研究不僅提高了打印分辨率,，還為可打印設(shè)計引入了多樣性,。本研究定制的3D打印機通過四個主要步驟打印鎵銅復(fù)合墨水：（i）初始接觸，（ii）直接打印,，（iii）快速離開,，和（iv）釋放（圖3A）。圖3B中示意性地展示了直接打印和離開階段的詳細視圖,。直接書寫打印通過增材制造操作,，逐層沉積材料，成功地在各種基底上打印了鎵銅復(fù)合墨水，包括VHB膠帶,、SEBS,、玻璃和PDMS（圖3C）。通過調(diào)整打印參數(shù),，可以調(diào)節(jié)打印圖案的寬度,、厚度和垂直高度，實現(xiàn)對打印輸出的精確控制,。打印結(jié)構(gòu)的垂直高度取決于噴嘴離開的速度,。慢速離開（10 mm/s）形成高大的垂直互連（約3 cm），快速離開（25 mm/s）生成短小的垂直柱（約2 mm,；圖3A）,。當(dāng)不需要垂直互連時，進一步增加離開速度（>30 mm/s）會導(dǎo)致線條立即斷裂,，因為噴嘴與基底分離,。在這種3D打印機配置中，通過改變打印速度（圖3D）,、管徑,、擠出速率、擠出壓力（圖3E）和噴嘴尺寸等各種參數(shù),，還可以精確調(diào)節(jié)圖案的厚度,。為了避免由Rayleigh不穩(wěn)定性引起的不利打印問題（例如在基底上出現(xiàn)斷開的液滴或珠鏈狀圖案），本研究確定了最佳的打印條件范圍,，包括打印速度和擠出壓力（圖3F）,。

圖3 對打印條件和打印的鎵銅復(fù)合墨水的電-機械特性進行系統(tǒng)研究

【具有變革性的超薄表皮脈搏波圖（PPG）傳感器的示例】

本研究的鎵銅復(fù)合墨水具有幾個獨特的特點，如易于調(diào)節(jié)的硬度,、多功能的可打印性和高導(dǎo)電性,，使其非常適合制造與組織變形適應(yīng)的生物電子設(shè)備。為了說明其潛力,，使用本研究的電子墨水開發(fā)了一種具有變革性的表皮脈搏波圖（PPG）傳感器（圖4A）,。表皮電子系統(tǒng)（EES）是一種超薄、與皮膚相適應(yīng)和可拉伸的電子器件,，能夠在動態(tài)皮膚變形下敏銳地感知生理信號,。雖然EES通過允許不可察覺的佩戴來最大化用戶舒適度，但其超薄和皮膚般的特性常常導(dǎo)致設(shè)備在應(yīng)用于皮膚之前褶皺,。這就需要使用臨時剛性載體基底將其正確轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置,，這給EES的制造和實施引入了繁瑣的步驟。為了解決這個問題,，本研究設(shè)計了一個獨立的超薄設(shè)備（厚度為20微米）,，不僅可以在沒有額外的加固平臺（如聚乙烯醇層,、絲層等）的情況下輕松處理，而且還可以通過快速的剛性-軟性模式轉(zhuǎn)換無縫適應(yīng)皮膚上的皺紋和變形,，簡化了整體的制造和使用,。本研究的鎵銅復(fù)合墨水具有高導(dǎo)電性和微米級可打印性，進一步實現(xiàn)了對變革性PPG設(shè)備的高分辨率打印多層電路,，其中包括13個表面貼裝器件（SMD）和2個垂直互連通道（VIA）（圖4B）,。

圖4 使用可轉(zhuǎn)換模式的鎵銅復(fù)合墨水制作的轉(zhuǎn)變型表皮PPG傳感器

【具有復(fù)雜跡線設(shè)計的緊湊型變革性無線光電子設(shè)備的示例】

通過在DIW打印過程中對電子跡線的寬度和厚度進行精確控制，本研究的鎵銅復(fù)合墨水可以用于制造高度復(fù)雜的變革性電子電路設(shè)備,。為了證明這一概念,，本研究設(shè)計了一種具有高分辨率電子跡線的變革性無線光電子設(shè)備，這些跡線在連接不同電路組件時具有不同的寬度和厚度,。本研究的無線光電子設(shè)備由三個主要部分組成：（i）一個圓形線圈天線（內(nèi)徑27毫米,，外徑36毫米，單層上有六個匝數(shù)）,，用于無線接收電力,；（ii）一個直流電壓四倍增電路，包含五對肖特基二極管和電容器,，將接收到的無線電頻率（RF）信號放大四倍,，然后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定充電集成鋰聚合物（LiPo）電池（GMB-300910，PowerStream Technology,；12毫安時）的直流電源,；（iii）一個集成了藍牙低功耗系統(tǒng)芯片（BLE SoC；RFD77101,，RF Digital Corporation）的無線通信電路,，用于無線控制設(shè)備（圖5A）。如圖5B所示,，該設(shè)備采用鎵銅復(fù)合墨水打印成雙層電路的形式,，每層通過15個垂直互連通道（VIA）相互連接，包括17個表面貼裝器件（七個電容器,、兩個電阻器,、五個肖特基二極管,、一個LED,、一個電壓調(diào)節(jié)器和一個BLE SoC）和一個LiPo電池。由于這種設(shè)計,，本研究的無線光電子設(shè)備能夠通過感應(yīng)耦合進行無線充電,，并利用所產(chǎn)生的電力通過BLE控制驅(qū)動集成LED，為光遺傳學(xué)和光療法等潛在應(yīng)用提供光刺激,。

此外,，鎵銅復(fù)合材料表現(xiàn)出在剛性和軟性模式之間的雙向轉(zhuǎn)變,，提供所需的剛性以保持形狀，直到達到目標(biāo)位置,，并提供適應(yīng)曲線表面所需的柔性（圖5C）,。通過使用軟性和可拉伸的VHB膠帶（3M；剪切模量0.6 MPa）作為基底,，軟性模式下的設(shè)備表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性,，承受了206%的單軸應(yīng)變（圖5D）。對設(shè)備進行雙軸拉伸強調(diào)了打印電子電路與基底的牢固粘附性,，同時保持其高分辨率圖案,。這種多功能特性對于植入式和可穿戴應(yīng)用非常有優(yōu)勢，因為它允許可調(diào)節(jié)的剛度,，便于操作和與軟組織的無縫集成,。例如，這里展示的概念性無線變革性光電子器件可以用作光遺傳學(xué)和光療的植入式設(shè)備,，對周圍組織的應(yīng)力最小,。

圖5 采用復(fù)雜的電路設(shè)計、具有不同線寬和高電路密度的轉(zhuǎn)變型無線光電子器件

2. 總結(jié)與展望
鑒于所展示的特性和應(yīng)用,，本研究預(yù)期鎵銅復(fù)合墨水結(jié)合DIW打印技術(shù)可以為下一代轉(zhuǎn)變型可穿戴,、可植入、可吞服電子產(chǎn)品以及其他各種應(yīng)用開啟新的可能性,。這一創(chuàng)新將克服當(dāng)代電子產(chǎn)品的局限,，這些產(chǎn)品通常具有不變的力學(xué)特性，要么完全柔軟,，要么完全剛性,。需要解決的一個挑戰(zhàn)是鎵銅復(fù)合物可能會硬化成脆性的金屬間化合物相，盡管在我們的研究中至少8周內(nèi)沒有觀察到這種現(xiàn)象,。在這方面,，未來的研究和開發(fā)應(yīng)該集中在確保鎵銅復(fù)合墨水的長期穩(wěn)定性，以提高制造的轉(zhuǎn)變型電子產(chǎn)品的長期可靠性,。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn1186