基于半液态金属的压力调控选择性粘附打印技术

灵活、轻便、高度可靠和耐用的可穿戴电子产品在健康监测、能量收集、人机交互和柔性显示等领域具有广泛的应用。为了适应长期与皮肤接触以及各种复杂环境，可穿戴电子产品需要具备良好的防水和透气的特性。智能可穿戴设备，如谷歌Jacquard夹克和Sensoria智能运动服等产品，已经彻底改变了我们与服装互动的方式；然而，这些进步通常伴随着较高的成本和技术，所以这些产品在服装市场中的价格也相对昂贵，限制了可穿戴电子产品的实用性。

近期，天津大学国瑞副研究员和黄显教授团队在Advanced Fiber Materials期刊上发表了题为“Pressure Regulated Printing of Semiliquid Metal on Electrospinning Film Enables Breathable and Waterproof Wearable Electronics”的研究成果，提出了“基于半液态金属（SLM）的压力调控选择性粘附”技术，为制造这类设备提供了全新的思路。  

首先，研究人员使用激光打印机在热转印纸上打印出各种威廉希尔官方网站 图案，如心电图电极、LED阵列、温度传感器等；接着，将这些威廉希尔官方网站 图案通过热压的方式转移到聚丙烯（PP）薄膜上，从而形成威廉希尔官方网站 结构；然后，利用SLM技术有选择性地涂覆液态金属导线，制造导威廉希尔官方网站 径；最后，通过热压将两层PP薄膜与中间的热熔不织布（TPU）粘合在一起，形成多层结构的可穿戴设备，见图1。相较于传统的电子元件制造方法，SLM技术即节省了时间，又降低了成本，同时还提供了更大的自由度，使设备的设计更加灵活，不仅适用于小规模生产，还具有扩展到大规模生产的潜力，为可穿戴设备的未来带来更多机遇。

图1 可穿戴电子设备在PP薄膜上的制备和应用

防水可以提高可穿戴电子产品的耐用性，PP薄膜较低的表面能使其具备出色的防水性能。水滴在PP薄膜上呈高接触角，证实其高度疏水性，可有效保护可穿戴电子设备在水下使用。由图2可以看出，PP薄膜能够承受较高的水压，保持威廉希尔官方网站 正常工作，即使长时间浸泡在水中也不受影响；此外，PP薄膜的透气性良好，即使在水下也能维持一定的透气性，使穿戴者的皮肤与周围环境交换气体，保证了舒适性和安全性。总之，PP薄膜能够确保可穿戴电子产品在水下环境中长期使用；可穿戴电子产品可以适应各种复杂情况，包括皮肤出汗、温度变化大和反复清洗等。

图2 SLM威廉希尔官方网站 在PP薄膜上的耐水性和透气性测试

通过选择性粘附的打印方法，能够在当前操作条件下制备最薄宽度为100 μm的SLM导线。实验在PP薄膜上打印了长度为5 cm，宽度从100 μm到1 mm不等的SLM导线。图3的测试结果表明，随着墨粉轨迹宽度的增加，电阻从5.4 Ω逐渐降至1.0 Ω，且保持在可接受的范围内。

为了表征可穿戴电子设备的灵活性，研究人员测试了SLM导体在弯曲和扭曲条件下的电性能，图3的实验结果表明，相对电阻仅略微增加，长期周期性测试的相对电阻变化很小；此外，SLM导体的氧化不影响电性能，热稳定性良好。为了克服结构损坏问题，研究人员进一步研究了多层SLM威廉希尔官方网站 的连接方法，通过钻孔和热压熔化，成功制备了多层SLM威廉希尔官方网站 ，在弯曲和扭曲条件下其电性能稳定，并展示了使用热转印技术制备大面积SLM威廉希尔官方网站 的过程。总之，通过选择性粘附打印方法制备的SLM威廉希尔官方网站 适用于多层及大面积。

图3 SLM导线的电性能

图4为多功能可穿戴电子设备位于志愿者的胸部，用于检测人体表面温度和心电图信号。触摸传感器电极1可通过LED阵列显示不同温度范围，而触摸传感器电极2则显示心率。温度传感器采用温度敏感的复合屏幕，可以在不同温度下测量电阻变化，保持长期稳定性。此外，可穿戴设备还配备了ECG电极，其阻抗低于商用电极，可清晰记录ECG信号。设备还适用于水下和剧烈运动，为健康监测提供了更广泛的应用。

图4 可穿戴电子设备用于检测各种体征

综上所述，作者展示了一种基于半液态金属（SLM）的压力调控选择性粘附的制造策略，这种方法简单、快速、经济，适合大规模生产可穿戴电子设备。SLM为可穿戴威廉希尔官方网站 提供了更高的导电性（1.4 × 10⁷ S/m）和更稳定的导电结构。采用SLM威廉希尔官方网站 制备的可穿戴电子设备可用于监测人体表面温度、心电图信号以及人机交互，其多层结构和柔韧性适合长期佩戴。PP薄膜为设备提供了出色的透气性（311.1 g/m²/h）和防水性，适用于各种日常活动，以及剧烈运动和水下使用。  





审核编辑：刘清