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  用注射器將微型電子芯片注入人體，發(fā)揮功用后的芯片自動溶解在人體之中，這似乎是只能在科幻電影里才能見到的場景，而如今柔性瞬態(tài)電子器件的開發(fā)將這一想象變?yōu)榭赡堋?

  近日，天津大學精儀學院生物微流體和柔性電子實驗室的黃顯教授與密蘇里科技大學Heng Pan教授共同完成一系列探索，在瞬態(tài)電子制造領域取得重大突破，實現(xiàn)了在低溫狀態(tài)和無水環(huán)境下的柔性瞬態(tài)電子器件的加工。相關研究成果在線發(fā)表在電子和材料領域國際權威學術刊物《Small》和《Advanced Materials》上。黃顯教授是這兩篇文章的通訊作者。

  可溶性生物降解材料如手術縫合線已經被廣泛應用在醫(yī)學領域，逐漸被公眾所熟知，但科學家們對生物可溶性材料的開發(fā)應用遠不止于此。近幾年，越來越多的研究集中于利用生物可溶性材料開發(fā)功能性器件，瞬態(tài)電子器件應運而生。瞬態(tài)器件又稱生物可溶性器件，是指能夠在可控的時間內工作，完成工作后器件溶解在所處的環(huán)境中且不產生有毒有害的物質。

  瞬態(tài)器件在植入式醫(yī)療和環(huán)境保護領域具有巨大的應用前景，使用生物可溶性材料制作的電子設備一旦植入到人體，在完成其功能后，能夠自行溶解在體內，無需二次手術，既能減輕病人的痛苦，還能減少醫(yī)療資源的浪費。此外，使用生物可溶性材料所開發(fā)的電子元器件，在其功能完成之后可溶解于水中，便于將電路上的電子元件回收，還不會產生環(huán)境污染。

  雖然瞬態(tài)器件在健康和環(huán)保領域有巨大應用前景，卻并未實現(xiàn)市場化。其加工方法繁瑣，工藝和選材上受到很大限制是原因之一。生物可溶性材料大都基于對于濕度和溫度敏感的可溶性材料，易與集成電路常用的各種包含羥基的溶劑發(fā)生反應。另外，生物可溶性聚合物的熔點或玻璃化溫度較低，不適合生產傳統(tǒng)電子元器件的高溫加工方法。

  傳統(tǒng)的瞬態(tài)器件加工方法非常復雜費時，需要依靠特殊的手工轉印方法，在常規(guī)基底上加工得到的結構轉印到生物可溶性基底上。一個典型的瞬態(tài)器件的生產往往需要花費將近一周的時間以及近千元的成本。

  為了解決瞬態(tài)器件加工成本高工藝繁瑣的難題，天津大學精儀學院黃顯教授設計研發(fā)出兩項柔性瞬態(tài)電子器件加工新技術——光脈沖燒結和激光蒸鍍，實現(xiàn)在低溫狀態(tài)和無水環(huán)境下瞬態(tài)器件的低成本制造。這兩項技術分別發(fā)表在電子和材料領域國際權威學術刊物《Small》和《Advanced Materials》上。

  黃顯教授的團隊以對生物體本身無害的金屬鋅為原料，采用球磨方法，將鋅的納米顆粒打磨到100納米以內，從而獲得瞬態(tài)金屬納米顆粒。研磨后納米粒子好比“墨水”，利用先進的光脈沖的方式，將“墨水”直接燒結到可溶解的聚合物基底上，從而“繪制”出高導電性瞬態(tài)金屬圖案。導電率高達44 643 S m-1，創(chuàng)造了目前基于印刷方式的瞬態(tài)金屬顆粒導電率的最高記錄。

  第二種激光蒸鍍技術，則是通過激光掃描鋅納米顆粒的方式制造導電瞬態(tài)金屬圖案。將鋅納米顆粒沉積在玻璃片上并進行激光掃描，鋅納米顆粒會由于激光加熱而形成鋅的蒸汽，最終在生物可溶性基底上冷凝沉積。通過對玻璃片和生物可溶性基底之間距離的控制，來控制蒸汽沉積的速率，還可以通過控制激光的速度與掃描路線來設計圖案，控制每一位點的導電性能（最高可達1.1×106 S m-1）。

  黃顯教授團隊研發(fā)的這兩項技術為全球瞬態(tài)電子制造領域首次應用，克服了瞬態(tài)金屬納米顆粒易受空氣中的氧氣和水分影響的缺點，為瞬態(tài)電子技術的發(fā)展提供了重要的加工方法。通過該方法制造的瞬態(tài)器件具有高導電性、低溫安全、無污染的特點，其形態(tài)輕薄、可彎可折，平均厚度不超過10微米，不到頭發(fā)絲直徑的十分之一。

  這項研究技術極大地減小了瞬態(tài)器件的使用成本，使得瞬態(tài)器件更大程度地與人們的日常生活相結合。為人類健康監(jiān)測、診斷、治療和康復提供新的解決方案。這項研究還會極大改變現(xiàn)在的印刷電路工業(yè)及其相關產業(yè)，如材料的供給、加工設備的生產和電子元件的回收。未來，瞬態(tài)電路極有可能會代替那些永久性的電路應用于諸如便攜式設備、家用電器和其它消費產品中。

  黃顯教授來自于天津大學精儀學院生物醫(yī)學工程系，2015年入選中組部國家青年千人計劃。黃顯教授帶領的天津大學生物微流體和柔性電子實驗室團隊以瞬態(tài)可溶性電子、柔性生物傳感器和柔性表皮電子的研究為主。實驗室擁有集成了生物微流體和柔性電子加工、測試和仿真為一體的開放性研究平臺。

  論文鏈接：