Adv. Mater. ：Zn纳米粒子蒸发冷凝介导激光打印诞生，解决废旧电子产品不再是问题

【引言】

近年来，人们对于最新电子设备需求的增长极大加快了大量电子产品的淘汰速度，产生大量的电子垃圾（每年25106吨），这对环境和生态系统造成了极大的威胁。因此，对可生物降解的电子设备的研究显得尤为重要。目前，生物可降解电子设备主要是通过对集成电路无水表面进行微加工处理，然后转移到生物可降解的基质上，但是该过程复杂、耗时且需要真空环境。此外，由于生物可降解金属材料的热力学不稳定性，在大气中容易氧化，使得基于此得到的电子设备难以低成本和大规模生产。

随着打印产业的兴起，基于丝网印刷，通过使用包含一系列生物可降解金属粉末（譬如镁、锌、钨）的粘合剂，得到了打印电路板线路，但是由于聚合物粘合剂和表面氧化的存在，使其导电率不高且印刷图案的分辨率受到丝网印刷的限制。

最近，可印刷纳米粒子溶液激光烧结的出现，对于微米或纳米级柔性电子产品的制备提供了一种经济环保的解决方法。该方法不需要真空环境且所需模板少，可进行大规模生产。对于贵金属，譬如金，银，其纳米粒子溶液烧结过程中具有良好的抗氧性，得到的产品导电性较好，但是对于生物可降解的金属纳米粒子的烧结，表面氧化层的形成阻碍了导电性进一步提高。所以，目前来说，低成本、大规模制备环境友好、导电性优异的电子产品是一项十分具有挑战性的项目。

【成果简介】

近日，密苏里滚球体育 大学的Heng Pan以及天津大学的黄显（共同通讯作者）等人成功地解决了目前生物可降解电子产品制备所存在的问题。他们提出了一种可低成本制备的方案，即通过限定溶液蒸发浓缩区域，对Zn纳米粒子进行激光打印和烧结。该过程避免了材料的表面氧化，可实现纳米级的烧结，制备方法简便、耗时短、无需真空氛围，所得电子设备导电性优异、机械性能稳定且水溶。这些优点使得其在各种环境友好、可降解的传感器或电路中的应用具有巨大的潜能。相关研究成果以“Low-Cost Manufacturing of Bioresorbable Conductors by Evaporation–Condensation-Mediated Laser Printing and Sintering of Zn Nanoparticles”为题于2017年4月24日发表在期刊Advanced Materials 上。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Heng Pan的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图一、激光打印和烧结过程示意图

（a）激光打印过程技术图示；
（b）激光打印的Zn六边形晶体的典型微结构图；
（c）激光打印线路的扫描电镜图：Na-CMC的俯视图和截面图（激光参数：400mW，200mms^-1）；
（d）在大气环境下通过激光数码打印得到的各种Zn纳米粒子的二维图像，包括条形码、密苏里滚球体育 大学的标志、Na-CMC上的网格图（插图表明具有反射性的Zn金属线的光学图），以及在Na-CMC基质上构造的手掌大小的电子设备；
（e）在Na-CMC基质上Zn纳米粒子所形成的图形在蒸馏水中的溶解过程。

图二、 激光打印处理前后Zn纳米粒子的表征

（a）氩气保护下，在Zn纳米粒子薄膜上未经激光处理和激光处理区域的对比；
（b）未经处理的Zn纳米粒子的放大EDX图；
（c）处理后的Zn纳米粒子的放大EDX图；
（d）中空壳结构的高分辨率图；
（e）核壳结构的扫描STEM图以及相应EDX谱线图；
（f）激光打印Zn的放大图（激光参数：在空气中，1mW，30mms^-1）；
（g）DSMC模拟以及在空隙中Zn蒸气压分布图；
（h）预测的沉积速率。

图三、不同处理过程对样品的影响

（a）氩气保护下，在Na-CMC上四种不同的打印、烧结方式的扫描电镜图：i 沉积、ii 晶体生长、iii 颗粒生长、iv 致密化；
（b）扫描速率对于在Na-CMC基质上Zn导电率的影响；
（c）扫描速率对于在玻璃基质上Zn导电率的影响。

图四、印刷电子设备的性能测试

（a）在Na-CMC基质上激光打印的具有电阻的Zn应变仪，在遭受拉伸或折叠时测量其应力变化；
（b）在拉伸时应变仪的响应；
（c）在折叠时应变仪的响应；
（d）在Na-CMC基质上Zn的网格导体并整合形成电路；
（e）Zn网格电子设备不论经历怎样的弯曲、折叠，其上的LED灯始终照明。

【小结】

本文报道了一种低成本、快速制备生物可降解的电子设备的方法。这种方法得到的产品导电性好、性能稳定并且可将金属纳米粒子直接打印在可降解基质上，制备方法简单。在未来对于环境友好型电子设备的连续生产具有很大的前景。

文献链接：Low-Cost Manufacturing of Bioresorbable Conductors by Evaporation- Condensation-Mediated Laser Printing and Sintering of Zn Nanoparticles（Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201700172 ）

本文由材料人编辑部张虞编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

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