弗吉尼亚大学许宝星教授团队，最新 Science Advances：双层液面调控墨水铺展，打造曲面柔性电子

柔性电子正不断从实验室走向真实应用场景。无论是贴附在人体皮肤上的可穿戴传感器，还是集成在食品包装、软体机器人和医疗器械上的智能电子系统，都对电子器件提出了一个共同要求：不仅要软，还要能够可靠地贴合复杂、弯曲甚至不规则的表面。然而，柔性电子制造往往仍依赖传统固体基底。旋涂、沉积、打印等工艺虽然成熟，但基底表面粗糙度、界面黏附和接触线钉扎等因素都会影响薄膜的均匀性与后续转移。对于柔软、超薄且容易变形的聚合物薄膜而言，如何同时实现均匀成膜、精确图案化以及向复杂曲面的稳定转移，仍然是一个重要挑战。 针对这一问题， 美国弗吉尼亚大学 许宝星教授 团队 提出了一种全新的双层液面打印方法 （Double-Layer Liquid-Surface Printing）。 研究团队利用两种互不相溶的液体构建双层液体基底，通过调控上层液体厚度和界面条件，主动控制聚合物墨水液滴在液面上的铺展过程，从而实现柔性薄膜几何形态和厚度的可控制造。更重要的是，这种液体界面不仅能够为薄膜形成提供平整、低摩擦的制造环境，还能够降低后续从制造界面剥离和转移的难度。基于这一策略，研究团队进一步制备了导电聚合物薄膜和柔性RFID器件，并展示了其在复杂曲面贴附和食品新鲜度监测中的应用潜力。 相关成果以“Double-Layer Liquid-Surface Printing of Soft Films for Flexible Electronics”为题发表在最新一期《Science Advances》上，Mengtian Yin与Ziyu Chen为共同第一作者，Baoxing Xu教授为通讯作者。值得一提的是，该研究还被《Science Advances》选为当期 Featured Image，并在期刊官网首页进行重点展示。 双层液面：让液滴铺展变得可控 在传统单层液体表面上，液滴的铺展主要由材料本身的界面能和润湿性质决定。一旦材料体系确定，其铺展范围往往难以进一步独立调节。研究团队在此基础上引入第二层不互溶液体，并发现，上层液体的有限厚度可以对液滴铺展施加额外的几何约束，使液滴不再仅仅由润湿条件决定，而可以通过液体结构本身实现机械调控。 通过改变上层液体厚度，研究人员实现了两种典型制造模式：在可控非铺展（controlled non-spreading）模式下，墨水能够保持局部形态，用于构建点、线和曲线等结构；在可控铺展（controlled spreading）模式下，液滴可形成连续薄膜，其最终横向尺寸和厚度则可以通过液层几何参数进一步调节。团队同时建立了理论模型，对液滴铺展半径、薄膜厚度与液层厚度之间的关系进行了定量描述。实验结果与理论预测保持良好一致，说明双层液体基底不仅是一个被动承载界面，更可以作为主动调控薄膜形成过程的制造参数。 图1｜双层液面打印原理。通过调节上层液体厚度和界面条件，对聚合物液滴的铺展行为进行机械调控，从而实现柔性薄膜尺寸和厚度的可控制造。 从点、线到复杂图案，实现几何可编程制造 在实现可控铺展之后，研究团队进一步展示了这一方法在图案化制造方面的能力。从圆点、直线、曲线，到复杂字母、树形图案、太极图案以及多转弯结构，不同几何形态都可以通过可控铺展、可控非铺展以及两者组合完成。这种方法的一个突出特点，是能够在同一制造平台上同时控制整体形状、局部结构和薄膜尺度。研究团队进一步制备了多种不同尺寸和布局的RFID电路图案，验证了该策略对于复杂柔性电子结构的适用性。相比依赖固体基底的传统加工方式，液体界面显著减少了接触线钉扎和基底表面缺陷对图案形成过程的干扰，为复杂柔性电子器件提供了更大的几何设计自由度。 图 2｜几何可编程制造：通过可控非铺展、可控铺展及其组合，实现从基础线条到复杂图案和多尺度 RFID 电路的制造。 柔性薄膜：在机械变形中保持电学性能 对于柔性电子而言，能够制备薄膜并不意味着器件一定能够承受实际使用中的拉伸和弯曲。研究团队因此对液面打印得到的PEDOT:PSS导电薄膜进行了单轴拉伸和循环加载测试，并持续监测其电阻变化，同时与直接在PDMS固体基底上制备的样品进行对比。实验表明，液面打印薄膜在机械变形过程中能够保持连续的导电网络，并在循环加载后维持稳定的电学响应。这说明液面制造不仅能够改善薄膜几何均匀性，也有利于获得适用于柔性器件的稳定电学性能。 图 3｜柔性薄膜的机械与电学性能：通过单轴拉伸、循环加载和电阻监测，研究 PEDOT 薄膜在变形过程中的结构与导电响应。 从平面到曲面：让柔性 RFID 标签贴合复杂表面 真正具有挑战性的柔性电子应用，往往并不发生在平面上。为此，研究团队将液面打印制造的RFID电路转移到球面、管状表面以及带有尖锐转角的复杂基底上，并进一步测试器件在不同曲率条件下的电阻和射频响应。结果显示，液面打印得到