研究人员报告称，一种新的电子元件原位印刷技术足够温和，可用于纸张和人体皮肤等精细表面。
这一进展有望实现高附着力、嵌入式电子纹身，以及集成患者专用生物传感器的创可贴等技术。
“当人们听到“印刷电子”这一术语时，通常以为只需将基底和电子电路设计图输入打印机，过一段合理的时间后，就能取出功能完整的电子电路”杜克大学电气与计算机工程副教授Aaron Franklin说道。
“多年来，已有大量研究论文承诺实现这类“全印刷电子”，但现实情况是，该工艺实际上需要多次将样品取出，进行烘烤、清洗或旋涂材料，”Franklin说道。“我们的研究是首个让实际情况与公众认知相符的成果。”
研究人员在两篇论文中介绍了这些技术，其中一篇发表于Nanoscale，另一篇发表于ACS Nano。
电子纹身的起源
现任西北大学材料科学与工程教授的John A. Rogers于21世纪00年代末在伊利诺伊大学首次提出了所谓电子纹身的概念。与永久注入皮肤的真正纹身不同，Rogers的电子纹身是由橡胶制成的薄型柔性贴片，内含同样柔性电子元件。
这种薄膜与临时纹身一样贴合皮肤，早期的柔性电子产品包括心脏和脑部活动监测仪以及肌肉刺激器。尽管这类设备正逐步走向商业化和大规模生产，但在某些领域并不十分适用，例如需要通过添加定制电子元件直接改造表面的情况。
“要使直接或增材印刷真正发挥作用，你需要能够在一个步骤中完成所印刷对象的全部内容，”Franklin说道。“一些较为特殊的应用包括可用于生物标记或独特检测机制的紧密连接式电子纹身、用于即时定制电子产品的快速原型制作，以及可轻松集成到定制创可贴中的纸基诊断装置。”
第一篇论文介绍了Franklin实验室与化学教授Benjamin Wiley实验室如何共同开发一种新型墨水，其中含有银纳米线，可借助气溶胶打印机在低温下印刷到任何基底上。该墨水形成的薄膜无需任何后续处理即可保持导电性。印刷后，墨水在不到两分钟内干燥，即使经受50%的弯曲应变超过一千次，仍能保持较高的电性能。
在第一篇论文的配套视频中，研究生Nick Williams在其小指下侧印刷了两条具有电活性的导线。他将导线末端连接到一个小型LED灯上，随后在两条印刷导线的底部施加电压，即使他弯曲和移动手指，LED灯也始终保持点亮。
在第二篇论文中，Franklin与研究生Shiheng Lu进一步利用导电墨水，并将其与另外两种可印刷组件结合，制成功能性晶体管。打印机首先沉积一条碳纳米管半导体条带。待其干燥后，在不将塑料或纸质基底从打印机中取出的情况下，打印机在半导体条带两侧制作出两条延伸数厘米的银纳米线导线。随后，打印机在原有半导体条带上印刷一层二维材料六方氮化硼构成的非导电介电层，最后再制作银纳米线栅极电极。
印刷电子的更优工艺
以当今的技术而言，上述步骤中至少有一步需要将基底取出进行额外处理，例如使用化学浴去除多余材料、通过硬化工艺确保各层不相互混合，或通过长时间烘烤去除可能干扰电场的有机物残留。
而Franklin的原位印刷则无需上述任何步骤，尽管每一层都需要完全干燥以避免材料混合，但其整体加工温度是迄今报告中最低的。
“没有人认为，这种雾化墨水，尤其是氮化硼墨水，无需烘烤至少一个半小时，就能具备制造功能性电子产品所需的性能，”Franklin说道。“但我们不仅让它成功了，还证明印刷后再烘烤两小时并不会提升其性能。仅凭我们完整的原位印刷工艺，它的表现就已达到最佳状态。”
Franklin并不认为他的印刷方法能够取代可穿戴电子产品的大规模制造工艺。但他确实认为，该方法在快速原型制作或“一种规格无法满足所有需求”的场景中具有潜在价值。
“设想一下定制创可贴，其中集成了生物传感器等电子元件，护士只需走到工作站，输入特定患者所需的功能即可，”Franklin说道。“这种按需印刷的能力，正有助于推动这一目标的实现。”
该研究工作获得了美国国防部国会指令医学研究项目、美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的支持。
