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研究背景

與傳統剛性電子材料相比，柔性電子材料具有優異的可拉伸性和柔韌性，能夠與生物組織相容，更好地適應復雜的應用場景，是近年來廣泛關注的研究領域，可應用于健康監測、醫療設備、人機交互和增強現實等多個領域。然而，現有的柔性材料通常面臨著電子性能與可拉伸性之間的取舍，許多材料在追求高可拉伸性的同時犧牲了電子性能，從而限制了其應用范圍。因此，如何同時提高材料的電子性能和機械性能，成為了柔性電子材料研究中的一個重大挑戰。

功能粒子與軟聚合物的集成可以用來制造本征可拉伸高性能電子產品。然而，目前制造這種材料的方法要求將顆粒首先膠體分散在液體單體或聚合物溶液中，這些溶液具有有限的材料相容性。這種整合的策略不允許顆粒直接結合到軟材料中，并且需要在打印過程中精確控制相關的流體力學。

成果簡介

來自華南理工大學林容周教授、萊斯大學江雍粦（Yong Lin Kong）教授和新加坡國立大學何思遠（John S. Ho）副教授等研究人員設計了一種新的“顆粒吞沒”技術，成功地將功能顆粒直接整合到軟聚合物中，克服了傳統方法中顆粒分散液制備過程中的流體控制難題。傳統方法通常通過膠體分散液將顆粒與聚合物混合，這一過程對流體力學和化學兼容性要求較高，且容易導致顆粒的分布不均勻，影響材料的性能。華南理工大學為本研究第一單位。

與傳統方法不同，在該工作中當顆粒的特征尺寸遠小于聚合物基質的彈性毛細長度時，顆粒會通過表面能自發地被聚合物基質吞沒，深深嵌入聚合物中，從而形成顆粒深度嵌入聚合物的穩定配置。這種方法無需額外的外力或化學處理，能夠精確地將顆粒整合到聚合物中，提升了材料的功能性。使用這種方法可以制造具有無線傳感、通信和能量傳輸能力的多層、多材料和彈性器件。相關工作以“Soft electronics based on particle engulfment printing”為題發表在最新一期的Nature electronics期刊上。

一作+通訊！華南理工大學，2025年首篇Nature大子刊！新技術，克服傳統難題！

圖文導讀

圖1 顆粒吞沒印刷

顆粒吞沒印刷設計：顆粒吞沒印刷是通過在柔軟的聚合物基質中自發的體積逐層組裝異質微粒子和納米粒子來實現的。當粘性毛細力大于基材變形產生的彈性應力時，顆粒就會被吞沒（r/L???1, r, 顆粒直徑; ?L?=??_sv/E 聚合物基體彈性毛細管長度; ??_sv, 固氣界面表面應力; ?E, 楊氏模量）。相比之下，當聚合物基體變形產生的彈性力足以平衡顆粒上的界面能變化時，顆粒不會被完全吞沒，而是會粘附在表面上（r/L > 1）。

圖2 顆粒吞沒的表征

顆粒吞沒表征：顆粒吞沒印刷與廣泛的功能納米材料兼容，因為它主要由表面應力驅動，而表面應力在很大程度上與材料成分無關。因此，納米材料可以被吞沒在微米深的軟基底中，不用考慮尺寸和材料成分。吞沒印刷是一種表面能驅動的現象，不受重力的影響，在直立和倒立位置都可以打印出一致的壓痕深度。

為了增加顆粒和聚合物襯底之間的接觸面積，可以在被吞沒的樣品上放置重物施加額外的壓力，以增強顆粒進入基片的壓痕深度和均勻性。吞沒印刷可以進行“套印”，在先前被吞沒的顆粒上重復打印，可以創建包含在軟聚合物中的多層顆粒。在1.5%離子凝膠中，5 μm硅球的壓痕率會隨著印刷周期的增加而增加。套印次數的增加會增加壓痕深度，先前被吞沒的顆粒，不再經歷表面應力，在新層套印時被更深地吞沒到聚合物基質中。套印可以通過一層一層的印刷方法來控制顆粒吞沒深度。

圖3 大面積、多層、多材料印刷

顆粒吞沒印刷性能：通過顆粒吞沒打印，相對簡單的模板和刷子可以直接將碳納米管應變片打印成完全固化的A4尺寸彈性體。軟功能復合材料可以抵抗任意方向的反復扭曲和拉伸，使其在曲面上保持一致。打印分辨率主要由掩模的特征尺寸（最小圖案尺寸或間隙的較大值）決定。粒子吞沒可以產生多種功能的復合材料。這里展示了將多材料連接完全嵌入1.5%離子凝膠中的能力，功能層之間沒有間隙。通過顆粒吞沒打印二氧化硅球、銀微粒和碳納米管制成的軟聚合物、可拉伸導體和應變片具有良好的拉伸循環性能。這使得創建完全柔軟、復雜的功能設備成為可能。

圖4 無線柔性電子印刷

柔性電子設備應用設計：通過在彈性基體上顆粒吞沒印刷應變傳感器、天線和互連，然后將電源管理和無線通信組件焊接到電路板上，設計并制造了三個彈性電子設備，它們可以作為無線和無電池傳感器安裝在手指、手腕上，用于姿勢跟蹤。這些結果證明了顆粒吞沒印刷方法制造復雜高性能彈性器件的能力。

結論展望

該研究團隊報道了一種軟性聚合物與功能顆粒結合的新方法，通過利用表面能驅動功能顆粒的自發吞沒，可以直接打印一系列材料，成功制造了多層、多材料的柔性電子設備。這些設備不僅具有良好的可拉伸性和穩定性，還具備了無線傳感、通信和能量傳輸的功能。尤其在無線傳感器方面，團隊通過將設備集成到皮膚上，實現了高效的姿態追蹤，顯著提高了設備的性能和穩定性。該顆粒吞沒印刷方法也可能被用于整合活性材料，如半導體傳感和發光納米材料與生物反應性聚合物，創建高度集成的復雜生物電子器件。這一研究結果展示了顆粒吞沒技術在柔性電子材料中的巨大潛力，為未來柔性電子設備的高性能化和多功能化提供了新的技術路徑。

作者簡介

一作+通訊！華南理工大學，2025年首篇Nature大子刊！新技術，克服傳統難題！

林容周，華南理工大學機械與汽車工程學院教授、博導。2013年在華南理工大學獲得學士碩士學位，2018年在南洋理工大學獲得博士學位，2022年新加坡國立大學博士后出站。近10年來致力于無線柔性電子的交叉學科研究，通過在傳感、制造和系統集成上理論與工程的創新，以實現無線傳感、供能和通訊等技術與非常規基底（如軟物質、織物）的無縫融合，為數字化醫療、人機交互、智能制造等領域的重要挑戰提供創新的解決手段。相關成果多次發表在國際頂級期刊《Science》, 《Nature Electronics》，《Nature Communications》，《Biosensors & Bioelectronics》，《Sensors & Actuator B: Chemical》等。

個人課題組主頁：https://lin-labs.com

江雍粦，現為萊斯大學機械工程系助理教授。其研究成果多次發表在《Nature》,《Nature Communications》、《Nature Electronics》、《Advanced Materials》、《Science Advances》等國際頂尖期刊上，包括 “3D打印的活性電子材料和器件”、“3D打印的多功能混合設備與結構”、以及“胃駐留電子設備”等。

何思遠 (John Ho)，新加坡國立大學設計與工程學院電機與電腦工程系、醫療健康創新與技術研究院副教授，是生物電子學領域的一顆冉冉升起的新星，他致力于開發無線醫療技術來遠程監測和治療疾病。

文獻信息

Rongzhou Lin*, Chengmei Jiang, Sippanat Achavananthadith, Xin Yang, Hashina Parveen Anwar Ali, Jianfeng Ping, Yuxin Liu, Xianmin Zhang, Benjamin C. K. Tee, Yong Lin Kong* & John S. Ho*, Soft electronics based on particle engulfment printing, Nat Electron (2025).

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