研究背景
軟電子材料是一類能夠與生物系統集成的材料，因其在健康監測、醫療設備、人機交互和增強現實等領域的廣泛應用前景而備受關注。與傳統剛性電子材料相比，軟電子材料具有良好的可拉伸性和柔性，能夠克服生物組織與剛性設備之間的機械不匹配問題。然而，現有的軟電子材料仍面臨著電子性能與可拉伸性之間的權衡。為了提高設備的機械延展性并保持良好的電子性能，研究人員致力于開發兼具可拉伸性和高性能的軟電子材料。然而，現有的集成功能顆粒與軟聚合物的技術仍面臨一些挑戰，如流體力學控制困難和材料兼容性差等問題，這些問題限制了性能的提升和功能集成的程度。為了解決這一問題，華南理工大學林容周, 新加坡國立大學Chengmei Jiang，John S. Ho以及美國萊斯大學Yong Lin Kong等合作在“Nature Electronics”期刊上發表了題為“Soft electronics based on particle engulfment printing”的最新論文。該團隊通過引入顆粒吞噬的方式，將功能顆粒直接融入到軟彈性聚合物中，成功實現了顆粒與聚合物的高效集成。顆粒吞噬是一種自發的過程，當聚合物基體的彈性毛細長度超過顆粒的特征長度時，顆粒通過表面能被深深地嵌入聚合物基體中，形成一個能量穩定的結構。與傳統方法中將顆粒分散在液體單體或聚合物溶液中的方法不同，這一新方法無需依賴復雜的流體力學控制，大大提高了材料的性能和可操作性。 利用這一方法，研究團隊成功制造了多層次、多材料的彈性電子設備，這些設備不僅具有高機械延展性，還具備無線傳感、通信和電力傳輸功能。通過該方法制備的設備在無線、無需電池的姿態追蹤傳感器方面取得了顯著進展，展示了軟電子設備在健康監測和生物集成應用中的巨大潛力。這一研究成果為軟電子材料的設計與應用提供了新的思路，具有廣泛的應用前景，尤其是在醫療和生物監測領域。
研究亮點
- 本研究首次提出并展示了通過顆粒吞噬將功能性顆粒直接嵌入軟聚合物基體中的方法。顆粒吞噬是一個自發的過程，當顆粒的尺寸遠小于聚合物的彈性毛細長度時，顆粒會通過表面能被聚合物基體自發吞噬，形成深度嵌入的穩定配置。這一創新方法避免了傳統的膠體分散液和流體力學控制問題，提供了更高的集成度和性能。
- 該方法被應用于制造多層次、多材料結構的軟電子設備，成功實現了無線傳感、通信及電力傳輸等功能。這些設備不僅具有良好的機械延展性，還能夠與生物系統兼容，適用于健康監測、醫療設備等領域。此外，得益于顆粒吞噬過程的高效性，這些設備具有更高的集成度和穩定性，解決了傳統軟電子設備中材料兼容性和流體現象控制難度大的問題。
- 實驗通過對比傳統方法，顆粒吞噬方法顯著提升了功能顆粒與軟聚合物的結合強度和穩定性，克服了傳統材料中因化學非正交性導致的性能損失。實驗結果表明，采用這一方法制造的軟電子設備在電氣性能和機械性能方面都表現出更優的表現，特別是在無線傳感和功率傳輸方面展現了出色的應用潛力。
圖文解讀
總結展望
本文報道了一種多功能的軟聚合物編程方法，采用顆粒吞噬打印技術。通過利用表面能驅動顆粒的自發吞噬作用，可以直接打印一系列材料，制造出柔性、多層次、多材料的電子設備。該能量穩定的配置使得設備本身具有本質的可拉伸性，并且在反復拉伸后仍能保持其穩定性。作者的顆粒吞噬打印方法有望將有源材料，如半導體傳感材料和發光納米材料，與生物響應聚合物集成，進而創造出高度集成的復雜生物電子設備。 Lin, R., Jiang, C., Achavananthadith, S. et al. Soft electronics based on particle engulfment printing. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01291-0
