过去几十年来，电子行业发展迅速，开发出无数不同尺寸和形状的设备，用于各种应用，其中包括可伸缩电子产品，即传感器和其他设备，可用于制造智能手表、健身追踪器、用于监测特定健康状况的生物医学传感器和软体机器人。

柔性电子产品通常使用软聚合物制成，这种弹性材料由长分子链组成，可以承受显著的变形而不会断裂。为了扩大其功能或提高其性能，这些聚合物通常与具有特定光电或磁性的微米级或纳米级粒子（也称为功能粒子）相结合。

现有的大多数将功能粒子引入聚合物的方法都是将粒子分散到液体分子中，这些分子与其他分子结合形成聚合物，然后再将材料固化。然而，这些策略中的许多仅适用于某些聚合物-粒子组合，或者难以大规模实施。

据外媒报道，新加坡国立大学（National University of Singapore）何思远（John S. Ho）教授课题组和美国莱斯大学（Rice University）江雍粦（Yong Lin Kong）教授课题组最近在期刊《Nature Electronics》发表论文，介绍了一种制备软电子器件的新方法。这篇论文的第一作者是华南理工大学林容周博士。

图片来源：期刊《Nature Electronics》

研究人员开发的新方法利用一种称为“粒子吞噬（particle engulfment）”的软物质物理现象将粒子嵌入软聚合物中。粒子吞噬是一个自发过程，当聚合物基质的弹性毛细管长度超过粒子的特征长度时就会发生。

“弹性毛细管长度是表面应力比体积弹性应力更重要的长度尺度，”该论文的共同通讯作者江雍粦教授表示。“例如，当一个尺寸小于弹性毛细管长度的粒子（例如非常柔软的基质）留在表面上时，基质的表面应力会占主导地位，以至于粒子被固体基质本身‘吞没’在能量上是有利的。这种现象本身并不新鲜，软物质物理学界的其他人已经对其进行了研究，包括康奈尔大学的Eric Dufresne教授的一项出色工作。然而，先前的研究研究了少数粒子的粒子吞噬，到目前为止还没有用于制造电子产品。”

在尝试创建有效的软应变传感器时，研究人员发现，现有的将CNT颗粒分散到聚合物溶液中的方法无法可靠地生产出高性能可拉伸传感器所需的导电聚合物。然而，他们意外地发现了利用颗粒吞噬来为可拉伸电子产品创建这些导电聚合物的优势。

“使用碳纳米管（CNT）创建应变传感器的传统方法通常涉及使用溶剂将CNT分散到聚合物前体中，”论文第一作者林容周表示。“然而，我们在使用这种方法生产导电复合材料时遇到了挑战。出乎意料的是，我们发现将橡胶 CNT 涂在固化的硅胶上很容易形成导电复合材料。”

当他们进一步研究这一现象时，研究人员发现纳米材料可以通过粒子吞噬现象自发地嵌入聚合物基质中。然后，他们将这种方法与印刷装置相结合，使用模板掩模来控制暴露区域，结果发现这种方法可以成功地将各种功能粒子掺入软聚合物中。

为了展示新方法的潜力，该团队利用该方法制造了包含各种材料的多层弹性电子产品。他们制造的设备可能适用于不同的实际应用，因为它们被发现具有无线传感、通信和电力传输能力。

“据我们所知，这是首次成功利用粒子吞噬来制造软电子产品，”林容周教授表示。

除了展示利用粒子吞噬开发具有类似组织特性的系统级电子产品的可能性外，这项研究还为软物质物理研究开辟了新的可能性。未来的研究可以利用该团队采用的方法进一步研究粒子吞噬的物理学原理。

“由于这是首次对高浓度粒子吞噬的实验研究，我们的实验数据可能会揭示以前从未探索过的新物理见解，”江教授补充道。“我们有趣的观察结果为软物质物理学带来了新的问题，例如多层粒子吞噬，这可能会启发未来的应用。”

由于研究人员设计的新策略既可扩展又可靠，因此很快其他团队也可以采用它，为电子行业的进一步发展做出贡献。

未来，它可以用于制造更广泛的电子产品，包括机器人的电子皮肤和可穿戴设备的可拉伸传感器。