激光在3D打印樹脂表面制備仿生超疏水金屬層及其在柔性電子與磁滴操控中的應用

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當前，3D打印柔性電子器件雖具備形狀靈活及自定義3D結(jié)構(gòu)以增強功能的優(yōu)勢，但傳統(tǒng)方法如印刷導電油墨或多材料3D打印，存在導電層附著力差、制造復雜，且金屬導電層易暴露空氣中變質(zhì)等問題。此外，實現(xiàn)導電材料精細圖案化并確保與柔性基底緊密連接也是一大挑戰(zhàn)。四川大學周濤教授團隊開展研究，結(jié)合柔性3D打印與激光誘導選擇性金屬化技術(shù)，成功在3D打印樹脂上制備仿生超疏水金屬層，解決了上述痛點。該團隊不僅實現(xiàn)3D柔性導電銅層高精度圖案化，還通過電鍍鎳層提升耐候性，且鎳和銅層在空氣中自發(fā)獲超疏水性，同時利用鎳層鐵磁性實現(xiàn)磁性部件高精度定制圖案化，進而制造出個性化柔性電子器件，包括磁場驅(qū)動柔性機器人并實現(xiàn)磁滴3D操控。相關(guān)工作以“Biomimetic Superhydrophobic Metal Layers on 3D-Printed Resin via Laser for Flexible Electronics and Magnetic Droplet Manipulation”為題發(fā)表在《Small》上。

研究內(nèi)容
通過將3D打印與激光誘導金屬化技術(shù)結(jié)合的研究方法，研究了柔性超疏水金屬層的制備流程，包括3D打印樹脂基底、激光激活表面、化學鍍銅、電鍍鎳等步驟。結(jié)果表明，該方法可成功制備具有超疏水性的金屬層，并能用于柔性電子器件和磁滴操控等領(lǐng)域。

圖 1. 3D 打印與激光金屬化結(jié)合制備柔性超疏水金屬層的工藝流程圖及應用示意圖

借助掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜（XPS）等表征手段的研究方法，研究了激光激活后的樹脂表面及化學鍍銅層的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，激光處理使樹脂表面形成規(guī)則溝槽，銅層呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)（底層連續(xù)銅層+頂層銅顆粒），且銅層與樹脂基底的結(jié)合強度達到最高標準。

圖 2. 激光激活樹脂表面及化學鍍銅層的微觀結(jié)構(gòu)與界面結(jié)合表征

運用水接觸角測量和SEM觀察的研究方法，研究了銅層和鎳銅層的超疏水性能及表面形貌。結(jié)果表明，銅層和鎳銅層表面形成類似荷葉的微結(jié)構(gòu)，水接觸角分別達到152.3°和151.4°左右，具備優(yōu)異的超疏水性，且鎳銅層的磁性能隨電鍍電流密度變化而改變。

圖 3. 銅 / 鎳銅層的超疏水性能與表面形貌隨電鍍電流密度的變化

采用XPS和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析的研究方法，研究了超疏水金屬層的表面化學組成。結(jié)果表明，金屬層表面吸附空氣中的揮發(fā)性有機物（VOCs），形成非極性碳氫化合物覆蓋層，這是其超疏水性的化學成因。.

圖 4. 超疏水金屬層表面的化學組成分析與疏水性成因機制

通過拉伸循環(huán)測試和電阻監(jiān)測的研究方法，研究了金屬層與樹脂基底的粘結(jié)強度及柔性電路的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，激光誘導的錨定效應使金屬層與樹脂緊密結(jié)合，經(jīng)多次拉伸變形后，金屬層電阻變化小，超疏水性幾乎不變。

圖 5. 金屬層與樹脂基底的粘結(jié)強度驗證及柔性電路穩(wěn)定性測試

利用實際測試和有限元模擬的研究方法，研究了柔性傳感器和壓力傳感器的性能。結(jié)果表明，可穿戴手指傳感器能精準檢測不同手勢的電阻變化，3D多孔結(jié)構(gòu)壓力傳感器可感知細微壓力，且兩者均具有良好的柔性和穩(wěn)定性。

圖 6. 柔性傳感器的定制化設計與壓力響應性能測試

通過磁場驅(qū)動實驗的研究方法，研究了柔性機器人的運動性能和磁滴操控平臺的功能。結(jié)果表明，磁場驅(qū)動的柔性機器人可定向移動，磁滴操控平臺能在超疏水金屬表面精準操控磁滴的移動和融合，實現(xiàn)復雜的液滴操作。

圖 7. 磁場驅(qū)動柔性機器人運動及超疏水表面磁滴操控平臺的功能演示

研究結(jié)論
本研究開發(fā)出結(jié)合3D打印制備3D高精度可圖案化超疏水柔性金屬層的策略。選用Cu?(OH)PO?作為激光敏化劑，研制出可被355nm紫外激光激活用于激光誘導選擇性金屬化的柔性功能光敏3D樹脂。激光激活后，固化功能樹脂表面形成規(guī)則溝槽微結(jié)構(gòu)，對后續(xù)金屬層產(chǎn)生錨定效應，增強金屬層與樹脂間附著力，使金屬層經(jīng)多次變形后仍保持導電穩(wěn)定。所制備銅層自然形成類似荷葉表面微結(jié)構(gòu)，在空氣中放置數(shù)天后自發(fā)獲得超疏水性。在銅層上電鍍鎳層，鎳層繼承銅層表面微結(jié)構(gòu)，在空氣中也自發(fā)獲得超疏水性。超疏水鎳層兼具鐵磁性，可實現(xiàn)磁性部件高精度圖案化定制，據(jù)此成功制備能在單向磁場中定向移動的柔性機器人。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/smll.202502756