激光在3D打印树脂表面制备仿生超疏水金属层及其在柔性电子与磁滴操控中的应用

当前，3D打印柔性电子器件虽具备形状灵活及自定义3D结构以增强功能的优势，但传统方法如印刷导电油墨或多材料3D打印，存在导电层附着力差、制造复杂，且金属导电层易暴露空气中变质等问题。此外，实现导电材料精细图案化并确保与柔性基底紧密连接也是一大挑战。四川大学周涛教授团队开展研究，结合柔性3D打印与激光诱导选择性金属化技术，成功在3D打印树脂上制备仿生超疏水金属层，解决了上述痛点。该团队不仅实现3D柔性导电铜层高精度图案化，还通过电镀镍层提升耐候性，且镍和铜层在空气中自发获超疏水性，同时利用镍层铁磁性实现磁性部件高精度定制图案化，进而制造出个性化柔性电子器件，包括磁场驱动柔性机器人并实现磁滴3D操控。相关工作以“Biomimetic Superhydrophobic Metal Layers on 3D-Printed Resin via Laser for Flexible Electronics and Magnetic Droplet Manipulation”为题发表在《Small》上。
研究内容
     通过将3D打印与激光诱导金属化技术结合的研究方法，研究了柔性超疏水金属层的制备流程，包括3D打印树脂基底、激光激活表面、化学镀铜、电镀镍等步骤。结果表明，该方法可成功制备具有超疏水性的金属层，并能用于柔性电子器件和磁滴操控等领域。
 

借助扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段的研究方法，研究了激光激活后的树脂表面及化学镀铜层的微观结构。结果表明，激光处理使树脂表面形成规则沟槽，铜层呈现双层结构（底层连续铜层+顶层铜颗粒），且铜层与树脂基底的结合强度达到最高标准。
 

运用水接触角测量和SEM观察的研究方法，研究了铜层和镍铜层的超疏水性能及表面形貌。结果表明，铜层和镍铜层表面形成类似荷叶的微结构，水接触角分别达到152.3°和151.4°左右，具备优异的超疏水性，且镍铜层的磁性能随电镀电流密度变化而改变。
 

采用XPS和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析的研究方法，研究了超疏水金属层的表面化学组成。结果表明，金属层表面吸附空气中的挥发性有机物（VOCs），形成非极性碳氢化合物覆盖层，这是其超疏水性的化学成因。.
 

通过拉伸循环测试和电阻监测的研究方法，研究了金属层与树脂基底的粘结强度及柔性电路的稳定性。结果表明，激光诱导的锚定效应使金属层与树脂紧密结合，经多次拉伸变形后，金属层电阻变化小，超疏水性几乎不变。
 

利用实际测试和有限元模拟的研究方法，研究了柔性传感器和压力传感器的性能。结果表明，可穿戴手指传感器能精准检测不同手势的电阻变化，3D多孔结构压力传感器可感知细微压力，且两者均具有良好的柔性和稳定性。
 

通过磁场驱动实验的研究方法，研究了柔性机器人的运动性能和磁滴操控平台的功能。结果表明，磁场驱动的柔性机器人可定向移动，磁滴操控平台能在超疏水金属表面精准操控磁滴的移动和融合，实现复杂的液滴操作。
 

研究结论
        本研究开发出结合3D打印制备3D高精度可图案化超疏水柔性金属层的策略。选用Cu₂(OH)PO₄作为激光敏化剂，研制出可被355nm紫外激光激活用于激光诱导选择性金属化的柔性功能光敏3D树脂。激光激活后，固化功能树脂表面形成规则沟槽微结构，对后续金属层产生锚定效应，增强金属层与树脂间附着力，使金属层经多次变形后仍保持导电稳定。所制备铜层自然形成类似荷叶表面微结构，在空气中放置数天后自发获得超疏水性。在铜层上电镀镍层，镍层继承铜层表面微结构，在空气中也自发获得超疏水性。超疏水镍层兼具铁磁性，可实现磁性部件高精度图案化定制，据此成功制备能在单向磁场中定向移动的柔性机器人。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/smll.202502756