運用粒子吞噬印刷技術 打造軟性電子元件新方法

過去數十年間，電子產業快速發展，催生了無數不同尺寸和形狀的裝置，以因應各種各樣的應用需求。其中包含可拉伸電子元件，像是用於製造智慧手錶、健身追蹤器、監測特定健康狀況的生物醫學感測器以及軟性機器人的感測器和其他裝置。

柔性電子元件通常是利用軟性聚合物製成，這類彈性材料由長分子鏈構成，能承受大幅變形而不斷裂。為了擴充套件其功能或提升效能，這些聚合物常會與具有特定光電或磁性質的微尺度或奈米尺度粒子（也稱為功能性粒子）相結合。

目前大多數在聚合物中引入功能性粒子的方法，是先將粒子分散到液態分子中，在材料固化前，這些液態分子會與其他分子結合形成聚合物。然而，許多這類方法只適用於部分聚合物 - 粒子組合，或是難以大規模實施。

新加坡國立大學的何約翰教授研究團隊，以及美國萊斯大學的孔永林教授研究團隊，近期提出了一種製造軟性電子元件的新方法，此方法發表於《自然電子學》期刊的一篇論文中。論文的第一作者是林榮州博士，他當時是博士後研究員，現為華南理工大學的教職員。

研究人員開發的新方法，利用了一種稱為「粒子吞噬」的軟物質物理現象，將粒子嵌入軟性聚合物中。粒子吞噬是一種自發過程，當聚合物基質的所謂彈性毛細長度超過粒子的特徵長度時就會發生。

論文的共同通訊作者孔永林教授向Tech Xplore表示：「彈性毛細長度是指表面應力相較於體積彈性應力變得重要時的長度尺度。例如，當尺寸小於彈性毛細長度的粒子（如非常柔軟的基材）留在表面時，基材的表面應力可能佔主導地位，以至於粒子被固體基材本身「吞噬」在能量上更為有利。」

「這個現象本身並不新穎，軟物質物理領域的其他學者早已對其展開研究，康乃爾大學的埃裡克·迪弗雷納教授就有相關出色研究成果。然而，先前的研究只是針對少量粒子的粒子吞噬現象，且至今尚未應用於電子元件製造。」

在嘗試製造高效的軟性應變感測器時，研究人員發現，現有的將碳奈米管（CNT）粒子分散到聚合物溶液中的方法，無法穩定製造出高效能可拉伸感測器所需的導電聚合物。然而，意外的是，他們發現利用粒子吞噬現象為可拉伸電子元件創造這些導電聚合物具有諸多優勢。

論文第一作者林榮州表示：「傳統使用碳奈米管製造應變感測器的方法，通常是利用溶劑將碳奈米管分散到聚合物前驅體中。然而，我們在使用這種方法製造導電複合材料時遇到了挑戰。出乎意料的是，我們發現將橡膠碳奈米管塗覆在固化的矽膠上，能輕易地形成導電複合材料。」

研究人員進一步探究此現象時發現，奈米材料可透過粒子吞噬現象自發地嵌入聚合物基質中。接著，他們將此方法與印刷裝置相結合，利用模版掩膜控制暴露區域，成功地將各種功能性粒子整合到軟性聚合物中。

為了證明所提方法的潛力，研究團隊運用此方法製造出包含多種材料的多層彈性電子元件。他們製造的裝置具備無線感測、通訊和能量傳輸能力，可能適用於不同的實際應用場景。

林榮州表示：「據我們所知，這是首次成功利用粒子吞噬現象製造軟性電子元件。」

這項研究除了證明利用粒子吞噬現象開發具有類似組織特性的系統級電子元件的可能性，也為軟物質物理研究開闢了新方向。未來的研究可借鑑該團隊使用的方法，進一步探究粒子吞噬現象背後的物理原理。

孔永林補充道：「由於這是首項針對高濃度粒子吞噬的實驗研究，我們的實驗資料可能會揭示先前未曾探索的新物理見解。我們有趣的觀察結果在軟物質物理領域提出了新問題，例如粒子的多層吞噬現象，可能會啟發未來的應用。」

由於研究人員設計的新策略兼具可擴充套件性和可靠性，其他團隊可能很快也會採用，助力電子產業的進一步發展。未來，它可用於製造更廣泛的電子元件，包括機器人的電子皮膚和可穿戴裝置的可拉伸感測器。