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一个人,一块糖,一篇转移微印刷Science

  本文来自微信公众号:X-MOLNews
  从微电路到超材料,表面微图案化可以精确且高效地带来某些特定的功能。然而,常规的印刷、光刻等工艺仅适用于刚性平面基底,对于柔性或非平面的基底并不兼容,这显然不能满足下一代电子产品的需求。随着半导体芯片和智能材料的发展,有研究者设想,如果能开发一种方法,使材料可以根据需要自由拉伸,实现在纳米级曲率半径和任意复杂表面上的转移印刷,就可以完美的解决这一问题。如今,这个听起来仿佛有点超现实的想法,却被一位科学家用食材"简简单单"地实现了。
  转移印刷应用。图片来源: ACS Nano  [1]
  近日, 美国国家标准与技术研究院 (NIST) Gary Zabow 博士在 Science  杂志上发表论文,提出一种名为 REFLEX(REflow-driven FLExible Xfer)的转移微印刷工艺,利用常见的食品——蔗糖——作为材料,仅需要通过温和的加热和水溶解处理,就可以将图案化阵列转移到各种不规则表面 ,在金属、塑料、纸张、玻璃、聚苯乙烯、半导体、弹性体、水凝胶和多种生物表面上实现转移微印刷。值得一提的是,该论文只有一位作者。能凭一己之力完成一篇 Science  论文,委实不易。
  激光共聚焦显微照片,REFLEX工艺实现花粉颗粒复杂拓扑表面的图案化。图片来源: Science  [2]
  据说,这一发现源于一次意外。Zabow此前曾用蔗糖来包埋微磁点,硬化之后寄给生物医学实验室的同事用于后续研究。用蔗糖来包埋微磁点是因为蔗糖易溶于水,释放磁点且不会留下任何有害的塑料或其它化学物质。某次,一块包埋有微磁点阵列的糖块偶然被忘在了烧杯中,糖慢慢融化了,在烧杯底部留下了一层粘糊糊的物质。Zabow后来发现了这个被遗忘的烧杯,他像平常一样冲洗烧杯,却意外地发现,微磁点并没有被冲到下水道,而是被转移到了烧杯底上,看上去如彩虹一般。"看到那些彩虹让我非常惊讶",Zabow回忆道,这说明微磁点阵列保留了它们独特的图案。随之而来的就是一个奇妙的想法,食糖或许可以解决非常规表面的转移印刷难题。[3]
  从微加工的角度来看,蔗糖极易结晶,和不规则的表面仿佛并不相容。然而,在蔗糖中添加另一种食材"玉米糖浆",就可防止结晶,这两种食材的混合物不会破坏微图案化结构。更重要的是,这种糖混合物还具有接近室温的低玻璃化转变温度,且完全溶于水,这可以大大提高对基底的兼容性,无需高温和任何苛刻的溶剂,就可以实现真正清洁、温和的转移印刷。
  REFLEX转移工艺。图片来源: Science
  REFLEX工艺大体如下(上图A):先将糖混合物用水加热至焦糖化,倾倒在要转移的微图案或结构上,随后通过蒸发加热去除剩余的水,冷却固化,形成糖衣。再将糖衣连同微图案一起揭下,转移到不规则的目标衬底上,通过温和的加热使糖衣软化再次获得流动性,使微图案完美的贴附在不规则衬底上。最后,用水将糖溶解去除,完成转移印刷。由于糖衣是透明的,转移过程可以精确定位,精确度可以达到微米级。而且,该方法对目标衬底的曲率半径理论上没有任何限制,既可以是垂直的突出表面结构,无论圆形、圆环还是三棱柱,又可以是水凝胶、软弹性体。作为应用展示,他们甚至可以将数千个点阵转移到图钉尖上(上图E)。
  图钉尖端上的转移图案化。图片来源: Science
  器件制备时,金属电极的厚度往往只有几十纳米,该方法同样可以将细长的金属带转移。不需要施加外力就能自然地贴合,如果金属带很薄,糖衣还能引导其弯曲,并紧密贴合在不规则的目标衬底上。
  不同结构的转移和贴合。图片来源: Science
  随后,研究者进一步拓展了REFLEX工艺的应用范围,比如,将"NIST"字符转移到一根头发上(下图B),将~1 μm的点阵转移到完全不规则的植物纤维(下图D)、罂粟种子(下图E)、植物叶片(下图F)、花粉颗粒(下图H)、甚至血红细胞(下图G)表面。
  向不同基底上转移图案化微结构。图片来源: Science
  如果将图案化结构转移到微米颗粒上,就可以利用简单的平面印刷,完成Janus颗粒甚至更复杂的表面修饰,这或许会拓展这些微粒在生物领域的应用,例如亚细胞尺寸的生物探针、药物载体输运以及微型机器人。上述转移还可以准确定位,比如将"笑脸"精准地贴到~4.5 μm的聚苯乙烯微球表面。此外,糖混合物具有良好的生物相容性,转移过程不涉及任何有毒溶剂或转移残留物,对于体内使用不会造成任何危害。
  胶体微粒表面的微图案化。图片来源: Science
  REFLEX技术还有更多值得探索的地方,这可能会为电子、光学和生物医学工程等领域的新材料和微结构开辟新的可能性。"半导体行业已经花费了数十亿美元来完善印刷技术,制造我们所依赖的芯片",Zabow说,"如果我们可以将其中的一些技术,用像糖果一样简单且便宜的材料来扩大应用范围,那不是很好吗?" [3]
  Reflow transfer for conformal three-dimensional microprinting
  G. Zabow
  Science ,  2022 ,  378 , 894-898. DOI: 10.1126/science.add7023
  参考文献:
  [1] J. Park,  et al . Transfer Printing of Electronic Functions on Arbitrary Complex Surfaces.  ACS Nano   2020 ,  14 , 12-20. DOI: 10.1021/acsnano.9b09846
  [2] B. N. Johnson, A sweet solution to complex microprinting.  Science  2022 ,  378 , 826-827. DOI: 10.1126/science.ade6722
  [3] NIST Finds a Sweet New Way to Print Microchip Patterns on Curvy Surfaces
  https://www.nist.gov/news-events/news/2022/11/nist-finds-sweet-new-way-print-microchip-patterns-curvy-surfaces

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