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，液面打印得到的软导电结构能够与复杂表面保持良好贴合，其电学性能在转移后基本保持稳定。在不同曲率条件下，RFID器件的射频响应也表现出较好的稳定性。相比之下，传统商用RFID标签由于结构相对刚性，在曲面贴附过程中更容易发生几何变形和阻抗失配，进而导致射频性能明显变化。这意味着，液面打印方法不仅解决了“如何制造柔软薄膜”的问题，也进一步回答了“如何让柔性电子工作在复杂曲面上”的问题。

图 4｜曲面电子器件：将液面打印的 RFID 电路转移至不同曲率及复杂几何表面，并测试其结构贴合、电阻变化和射频响应。

从牛奶到香蕉：探索食品新鲜度监测

在进一步的应用展示中，研究团队将柔性RFID标签分别贴附在牛奶瓶表面和香蕉表皮，并在储存过程中持续记录食品状态变化以及RFID射频响应。食品在储存和变质过程中，其含水量、离子浓度、组织结构以及介电性质会发生变化，这些变化能够影响RFID天线周围的电磁环境，并进一步改变其阻抗匹配和射频响应。因此，这类柔性RFID器件有望通过无线信号变化，对食品状态进行非侵入式监测。与需要打开包装、取样或直接接触食品内部的检测方式相比，这种方法可以在不破坏包装和食品本身的情况下获得状态信息。在未来，如果进一步结合食品理化指标和微生物检测进行系统标定，这类无线柔性传感器有望用于食品储存、运输和供应链中的连续监测，从而为食品安全管理和减少浪费提供新的技术路径。

图 5｜食品监测应用：将柔性 RFID 标签贴附于牛奶包装和香蕉表面，记录储存期间的射频响应变化，展示其在食品新鲜度监测中的应用潜力。

总结与展望

这项工作的意义并不仅限于某一种RFID器件。从制造角度看，双层液面提供了一种不同于传统固体基底的新型加工平台。通过液体界面的平整性、低摩擦特性以及可调控的界面力学行为，可以同时影响液滴铺展、薄膜厚度、几何尺寸以及后续转移过程。这意味着，液体不再只是被动承载薄膜的“基底”，而可以成为参与制造过程、调控最终结构的重要组成部分。未来，这一策略有望进一步拓展至其他满足相应界面条件的功能材料体系，并与不同导电材料、传感材料和器件设计相结合，用于可穿戴电子、智能包装、曲面电子、软体机器人以及生物医学器件等场景。

例如，类似的曲面无线器件未来还可以进一步应用于药品包装、医疗耗材或医疗器械表面监测；若结合针对特定化学物质或微生物响应的功能材料，还可能进一步发展出用于污染或细菌生长监测的无线软电子系统。

通过把“制造基底”从固体变成可设计的液体界面，这项研究为柔性电子提供了一条新的制造路径，也拓展了液体界面在先进制造中的功能边界。