清华张莹莹教授智能纤维最新突破！纤维基微电路

清华大学张莹莹教授团队开发了收缩转移辅助印刷（STAP）策略，突破了传统平面光刻/印刷技术与曲面纤维基底的几何不兼容难题，实现了高分辨率微电路在纤维表面的360°共形制备。该技术以镓铟共晶（EGaIn）液态金属为导电材料，结合应力工程化硅橡胶基底的可控收缩与聚乙烯醇（PVA）膜的毛细管驱动转移，制备出分辨率达60 μm、机械稳定性优异的纤维基微电路，并演示了可单独寻址像素的电致发光（EL）纤维显示系统，为下一代可穿戴电子、智能纺织品的规模化制备提供了通用策略。

一、研究背景

一维纤维结构是下一代柔性可穿戴电子的理想平台，兼具固有柔性、空间紧凑性、可加工性和制造适应性，可单独作为自供能电子系统，也可通过捻合、缝纫、编织等纺织技术组装为复杂架构，在健康监测、柔性显示、能量存储/转换等领域应用潜力巨大。高性能纤维器件的开发需要功能材料、加工方法与纤维高长径比的几何特征相兼容，而传统平面微电路制备技术（光刻、直写印刷等）无法直接适配曲面纤维基底，存在分辨率低、难以实现共形覆盖、电路集成密度低等问题；现有纤维功能化方法（轴向涂层、纺丝掺杂）虽能适配纤维形貌，但无法制备高密度复杂微电路，限制了纤维器件的功能拓展。

将二维平面成熟的电路制造技术与一维纤维的结构优势结合，先在二维平台制备电路，再通过几何变形将其转移至纤维表面，成为突破纤维微电路制备瓶颈的核心思路，而实现这一思路的关键在于可控的电路微小型化和曲面基底的共形转移。镓铟共晶（EGaIn）液态金属具有低熔点（16℃）、高导电性、固有柔性和应变不敏感的电学特性，是制备柔性可穿戴电路的理想导电材料，但如何实现其高分辨率印刷与纤维表面的稳定附着，仍是亟待解决的问题。

二、研究亮点

1. 首次提出STAP策略，实现了二维平面印刷技术与一维曲面纤维基底的跨维度兼容，解决了传统技术无法在纤维表面制备高分辨率微电路的长期难题，实现了60 μm的高分辨率和360°共形覆盖。

2. 以丝胶蛋白为绿色稳定剂，制备了具有高胶体稳定性、优异印刷性的EGaIn/丝胶蛋白水基墨水，解决了EGaIn微颗粒的团聚问题，且墨水具有剪切稀化特性，适配规模化丝网印刷。

3. 揭示了收缩诱导+转移诱导的原位双烧结机制，无需外部烧结处理即可实现印刷EGaIn电路的导电性恢复，实现了电路微小型化与功能化的协同，简化了制备工艺。

4. 利用毛细管力的热力学自发特性，实现了微电路在纤维表面的无畸变、高保真共形转移，转移过程无需外部能量输入，且适配不同材质、直径的纤维，具有普适性。

5. 所得纤维微电路兼具高分辨率、高导电稳定性和优异的机械柔性，16000次弯曲后电导率仅下降1.4%；并演示了像素可单独寻址的EL纤维显示系统，为纤维基多功能电子器件的开发提供了原型。

三、研究内容

本研究开发了收缩转移辅助印刷（STAP）*全流程策略，核心分为可控收缩和共形转移两大步骤，同时开发了高稳定性、可丝网印刷的EGaIn/丝胶蛋白墨水，揭示了印刷电路的原位烧结机制，并基于该技术制备了可单独寻址的电致发光纤维显示系统，完成了从材料设计、工艺开发到器件应用的全链条研究。

（一）STAP技术的整体工艺设计

图1：STAP工艺与电致发光纤维器件示意图

(a)：STAP策略的核心流程，展示了**预拉伸硅橡胶基底印刷→张力释放收缩→PVA膜剥离→纤维共形转移**的全步骤，清晰呈现二维到一维的维度转换；

(b)：纤维基EGaIn微电路与EL阵列的构建原理，包括AC激励下ZnS:Cu的能隙跃迁发光机制（导带CB-价带VB），阐明了器件的发光原理；

(c)：EGaIn电路收缩前后的光学照片，面积收缩80%仍保持图案完整性，验证了可控收缩的有效性；

(d)：米级连续纤维上的微电路照片，证明了工艺的连续性和规模化潜力；

(e)：纤维微电路的360°旋转视图与弯曲演示，验证了器件的柔性和共形性；

(f)：纤维表面EL像素的工作状态，直观展示了器件的功能化效果。

STAP策略实现了“二维平面电路→微尺度收缩电路→一维纤维共形电路”的维度转换，核心流程为：

1. 应力工程化基底制备：将Ecoflex硅橡胶膜进行全向预拉伸并固定在亚克力框架上，形成应力工程化二维基底；

2. 丝网印刷电路：将EGaIn/丝胶蛋白墨水丝网印刷至预拉伸的硅橡胶基底表面；

3. 可控收缩微小型化：释放硅橡胶基底的预张力，基底自主收缩带动印刷电路均匀缩小，实现微电路制备，收缩率最高可达80%；

4. PVA膜介导转移：利用水溶性PVA膜作为载体，将收缩后的微电路从硅橡胶基底剥离；

5. 毛细管驱动共形转移：通过水滴引入的毛细管力，使PVA膜上的微电路360°共形包裹在纤维表面，溶解去除PVA后，EGaIn微电路稳定附着于纤维表面；

6. 功能层制备：在纤维微电路表面喷涂ZnS:Cu/SEBS电致发光层，制备可寻址的EL纤维显示器件。

（二）高稳定性EGaIn/丝胶蛋白墨水的开发与表征

图2：EGaIn/丝胶蛋白墨水的开发与表征

(a)：墨水制备流程，通过高速搅拌将EGaIn分散为微颗粒，丝胶蛋白实现表面修饰，为墨水的稳定性奠定基础；

(b)：丝胶蛋白与EGaIn的界面作用示意图，展示了氢键、金属-硫配位键和静电排斥的双重稳定机制，揭示了墨水稳定分散的核心原理；

(c)：墨水初始状态与放置1周后的光学照片，无明显团聚，直接验证了高胶体稳定性；

(d)：EMPs的SEM图像与EDS元素mapping，O、N、S元素在EMPs表面均匀分布，证实丝胶蛋白的成功吸附；

(e)：EMPs的TEM图像，清晰显示**核-壳结构**（EGaIn核+丝胶蛋白壳），直观证明界面修饰效果；

(f)：FT-IR光谱，丝胶蛋白的特征峰在复合后红移12.5 cm?1，证实了氢键的形成；

(g)：S 2p的XPS光谱，丝胶蛋白与EGaIn复合后硫的特征峰向低结合能偏移，证实了金属-硫配位键的形成；

(h)：分散时间与EMPs粒径的关系，可通过调控分散时间获得适配丝网印刷的3 μm级微颗粒；

(i)：Zeta电位测试，EGaIn/丝胶蛋白复合体系的负电位更强，静电稳定效果更优；

(j)：流变性能测试，墨水具有显著的**剪切稀化特性**，满足高分辨率丝网印刷的流变要求。

为实现EGaIn的高分辨率丝网印刷，开发了以丝胶蛋白为稳定剂的水基EGaIn/丝胶蛋白墨水，解决了EGaIn微颗粒（EMPs）在水中的团聚问题：

1. 墨水制备：将体相EGaIn在20000 rpm下高速分散为微颗粒，利用丝胶蛋白对其进行表面修饰，通过**空间位阻稳定**和**静电稳定**双重作用，使EMPs在水中稳定分散超1周无团聚；

2. 界面作用机制：丝胶蛋白中的羟基、氨基等富氧官能团与EGaIn微颗粒表面氧化层形成**氢键**，半胱氨酸中的硫原子与EGaIn形成**金属-硫配位键**，实现丝胶蛋白在EMPs表面的稳定吸附；同时丝胶蛋白在中性水溶液中带负电，使EMPs间产生静电排斥；

3. 印刷性能优化：通过调控分散时间，制备出平均粒径≈3 μm的EMPs，可顺利通过丝网；墨水具有**剪切稀化特性**，印刷时易流动、印刷后保形性好，满足高分辨率丝网印刷要求。

（三）EGaIn微电路的原位双烧结机制

图3：EGaIn微电路的原位双烧结机制

(a)：硅橡胶基底的等离子体处理，实现表面亲水化，提升墨水吸附性；

(b)：等离子体处理时间对印刷图案附着力的影响，3 min处理时图案附着力最优，为后续收缩和转移奠定基础；

(c)：基底收缩过程中电路导电性的自发恢复，电阻从无穷大降至稳定值，验证了收缩诱导烧结的效果；

(d)：收缩诱导烧结的原位SEM观察，EMPs表面氧化壳破裂、EGaIn融合，直观揭示烧结的微观过程；

(e)：不同预拉伸比（450%/300%/150%）下电路电阻随应变释放的变化，均呈现“快速下降-稳定”的三阶段特征，预拉伸比越高，电阻下降越快；

(f)：预拉伸比与电路最终电阻的关系，预拉伸比越高，最终电阻越低，证明高预拉伸比可实现更充分的烧结；

(g)：电路从硅橡胶到PVA膜的转移过程，PVA膜表面形成连续导电图案，验证了转移诱导烧结的效果；

(h)：转移诱导烧结的SEM图像，EGaIn在PVA膜表面完全融合，无残留颗粒，揭示转移过程的烧结机制；

(i)：微电路在收缩-转移过程中的形貌演变，激光共聚焦图像显示图案无畸变、间隙均匀，证明双烧结不破坏图案完整性；

(j)：STAP工艺的相图，界定了**预拉伸比**与**EMPs表面覆盖率**的有效参数范围，为高导电性微电路的制备提供了参数指导；

(k)：电路收缩前后与米粒的光学对比，直观展示了电路的微小型化效果，收缩后图案精细度显著提升。

印刷后的EGaIn电路因表面氧化层和聚合物阻隔初始为非导电状态，STAP策略通过收缩诱导烧结和转移诱导烧结两种原位机制，无需外部干预即可实现导电通路的构建，是电路功能化的核心：

1. 收缩诱导烧结：硅橡胶基底收缩时产生压缩力，当该力超过EMPs表面氧化壳的机械强度时，氧化壳破裂，液态EGaIn融合形成导电通路；预拉伸比越高，压缩力越大，烧结越充分，电路最终电阻越低；

2. 转移诱导烧结：PVA膜与等离子体活化的硅橡胶基底对EMPs均具有强吸附性，且PVA的吸附力更强；剥离PVA膜时，界面拉力使EMPs氧化壳破裂，EGaIn再次融合并优先转移至PVA膜表面，形成连续导电图案；

3. 双烧结协同效应：两次原位烧结实现了EGaIn电路的**微小型化**与**导电性恢复**的协同，且不破坏电路图案完整性，提升了电路集成密度。

（四）毛细管驱动的纤维共形转移机制

图4：电致发光纤维器件的构建与性能

(a)：毛细管驱动转移的光学过程，水滴引入后PVA膜自发润湿并包裹纤维，直观展示转移的自驱动特性；

(b)：毛细管驱动转移的机制示意图，包括水合塑化PVA、毛细管力铺展、共形包裹的全过程，阐明了转移的热力学和动力学原理；

(c)：不同收缩率（50%/60%/70%/80%）的微电路在纤维表面的光学照片，均保持图案完整性，证明收缩率的可控性；

(d)：纤维表面60 μm分辨率的微电路线宽照片，达到研究的核心分辨率指标，验证了STAP技术的高分辨率能力；

(e)：纤维微电路周向电极间隙的尺寸分布，偏差≤5%，证明转移过程的高保真性，无畸变；

(f)：纤维器件的机械稳定性测试，上：1.6 cm半径下16000次弯曲的电阻变化（仅上升1.4%）；下：不同弯曲半径的电阻变化，临界弯曲半径2.3 mm，充分验证机械柔性和稳定性；

(g)：不同收缩率的叉指电极电容测试，收缩率80%时电容较未收缩提升103倍，证明收缩率对器件性能的调控作用；

(h)：不同电极间隙（25/50/100 μm）的电场分布有限元模拟，50 μm间隙时电场分布均匀，为最优设计；

(i)：实验发光强度与模拟电场激发面积的关系，50~60 μm间隙时发光强度达峰值，与模拟结果一致，为器件结构优化提供依据；

(j)：EL纤维器件的弯曲工作演示，弯曲状态下像素仍正常发光，验证了器件的柔性工作能力；

(k)：像素单独寻址的电路设计，5个接触点控制7个像素，实现了有限空间内的高集成度寻址；

(l)：EL纤维显示系统的工作状态，可通过电寻址实现特定像素点亮，直观展示了器件的功能化成果。

利用PVA膜的水溶性和毛细管力，实现了微电路在纤维表面的360°无畸变共形转移，其热力学机制为：

1. 自发润湿的热力学条件：PVA和芳纶纤维均为亲水性材料（接触角<90°），水滴引入后，纤维-PVA-水界面的吉布斯自由能变化ΔG<0，实现自发润湿和径向铺展；

2. 毛细管力的作用：水滴在纤维与PVA膜间形成毛细管通道，驱动水沿纤维轴向和周向传播，同时PVA水合塑化后模量降低，从刚性变为柔性，实现微电路对纤维的360°共形包裹；

3. 转移普适性：该方法可适配不同材料、不同直径的纤维，还可在单根纤维上重复转移制备多层电路，电路周向尺寸偏差≤5%，无畸变和断路。

制备的EGaIn纤维微电路分辨率达60 μm，电极间隙可窄至35 μm；机械稳定性优异，在1.6 cm弯曲半径下经16000次弯曲循环后电导率保留98.6%，临界弯曲半径低至2.3 mm，满足可穿戴应用的机械要求；

电路收缩率可精准调控（50%~80%），收缩率越高，电极间距越小、有效面积越大，器件电容提升达103倍；电致发光的最优电极间隙为50~60 μm，此时电场强度≈2 kV/mm，可充分激活ZnS:Cu颗粒且避免介电击穿；

设计了像素单独寻址的电路架构（5个接触点可控制7个像素），在单根纤维上制备了EL像素阵列，可通过电寻址实现选择性像素点亮，弯曲至15 mm半径时光亮度仍保留94%，并可编织为纺织品实现动态视觉显示。

四、总结与展望

本研究开发了收缩转移辅助印刷（STAP）通用策略，成功解决了传统平面印刷技术与曲面纤维基底的几何不兼容难题，实现了高分辨率、高稳定性微电路在纤维表面的360°共形制备，构建了二维预拉伸印刷→可控收缩微小型化→PVA介导毛细管转移的STAP全工艺，实现了EGaIn电路从二维到一维的跨维度转换，收缩率最高80%，电路分辨率达60 μm，电极间隙窄至35 μm；开发了以丝胶蛋白为稳定剂的EGaIn/丝胶蛋白水基墨水，通过氢键和金属-硫配位键实现EGaIn微颗粒的稳定分散，墨水具有剪切稀化特性，适配规模化丝网印刷；发现了收缩诱导+转移诱导的原位双烧结机制，无需外部干预即可实现印刷EGaIn电路的导电性恢复，预拉伸比越高，烧结越充分，电路电阻越低；利用毛细管力的热力学自发特性，实现了微电路在纤维表面的无畸变共形转移，周向尺寸偏差≤5%，且适配不同材质、直径的纤维，可制备多层电路；所得纤维基EGaIn微电路机械稳定性优异，1.6 cm半径下16000次弯曲后电导率保留98.6%，临界弯曲半径2.3 mm；并基于该技术制备了像素可单独寻址的EL纤维显示系统，实现了选择性像素点亮，为纤维基多功能电子器件提供了原型；STAP策略兼容多种商用导电墨水，工艺简单、可扩展性强，为智能纺织品、可穿戴电子的规模化制备提供了通用方法。

该研究突破了纤维基微电路制备的技术瓶颈，为下一代智能纺织品、可穿戴电子的发展提供了全新的制备策略，未来有望在医疗监测、军事防护、户外探索、人机交互等领域实现广泛应用。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69640-5

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