一个人，一块糖，一篇转移微印刷Science

　　本文来自微信公众号：X-MOLNews
　　从微电路到超材料，表面微图案化可以精确且高效地带来某些特定的功能。然而，常规的印刷、光刻等工艺仅适用于刚性平面基底，对于柔性或非平面的基底并不兼容，这显然不能满足下一代电子产品的需求。随着半导体芯片和智能材料的发展，有研究者设想，如果能开发一种方法，使材料可以根据需要自由拉伸，实现在纳米级曲率半径和任意复杂表面上的转移印刷，就可以完美的解决这一问题。如今，这个听起来仿佛有点超现实的想法，却被一位科学家用食材＂简简单单＂地实现了。
　　转移印刷应用。图片来源： ACS Nano  [1]
　　近日， 美国国家标准与技术研究院 （NIST） Gary Zabow 博士在 Science  杂志上发表论文，提出一种名为 REFLEX（REflow-driven FLExible Xfer）的转移微印刷工艺，利用常见的食品——蔗糖——作为材料，仅需要通过温和的加热和水溶解处理，就可以将图案化阵列转移到各种不规则表面 ，在金属、塑料、纸张、玻璃、聚苯乙烯、半导体、弹性体、水凝胶和多种生物表面上实现转移微印刷。值得一提的是，该论文只有一位作者。能凭一己之力完成一篇 Science  论文，委实不易。
　　激光共聚焦显微照片，REFLEX工艺实现花粉颗粒复杂拓扑表面的图案化。图片来源： Science  [2]
　　据说，这一发现源于一次意外。Zabow此前曾用蔗糖来包埋微磁点，硬化之后寄给生物医学实验室的同事用于后续研究。用蔗糖来包埋微磁点是因为蔗糖易溶于水，释放磁点且不会留下任何有害的塑料或其它化学物质。某次，一块包埋有微磁点阵列的糖块偶然被忘在了烧杯中，糖慢慢融化了，在烧杯底部留下了一层粘糊糊的物质。Zabow后来发现了这个被遗忘的烧杯，他像平常一样冲洗烧杯，却意外地发现，微磁点并没有被冲到下水道，而是被转移到了烧杯底上，看上去如彩虹一般。＂看到那些彩虹让我非常惊讶＂，Zabow回忆道，这说明微磁点阵列保留了它们独特的图案。随之而来的就是一个奇妙的想法，食糖或许可以解决非常规表面的转移印刷难题。[3]
　　从微加工的角度来看，蔗糖极易结晶，和不规则的表面仿佛并不相容。然而，在蔗糖中添加另一种食材＂玉米糖浆＂，就可防止结晶，这两种食材的混合物不会破坏微图案化结构。更重要的是，这种糖混合物还具有接近室温的低玻璃化转变温度，且完全溶于水，这可以大大提高对基底的兼容性，无需高温和任何苛刻的溶剂，就可以实现真正清洁、温和的转移印刷。
　　REFLEX转移工艺。图片来源： Science
　　REFLEX工艺大体如下（上图A）：先将糖混合物用水加热至焦糖化，倾倒在要转移的微图案或结构上，随后通过蒸发加热去除剩余的水，冷却固化，形成糖衣。再将糖衣连同微图案一起揭下，转移到不规则的目标衬底上，通过温和的加热使糖衣软化再次获得流动性，使微图案完美的贴附在不规则衬底上。最后，用水将糖溶解去除，完成转移印刷。由于糖衣是透明的，转移过程可以精确定位，精确度可以达到微米级。而且，该方法对目标衬底的曲率半径理论上没有任何限制，既可以是垂直的突出表面结构，无论圆形、圆环还是三棱柱，又可以是水凝胶、软弹性体。作为应用展示，他们甚至可以将数千个点阵转移到图钉尖上（上图E）。
　　图钉尖端上的转移图案化。图片来源： Science
　　器件制备时，金属电极的厚度往往只有几十纳米，该方法同样可以将细长的金属带转移。不需要施加外力就能自然地贴合，如果金属带很薄，糖衣还能引导其弯曲，并紧密贴合在不规则的目标衬底上。
　　不同结构的转移和贴合。图片来源： Science
　　随后，研究者进一步拓展了REFLEX工艺的应用范围，比如，将＂NIST＂字符转移到一根头发上（下图B），将~1 μm的点阵转移到完全不规则的植物纤维（下图D）、罂粟种子（下图E）、植物叶片（下图F）、花粉颗粒（下图H）、甚至血红细胞（下图G）表面。
　　向不同基底上转移图案化微结构。图片来源： Science
　　如果将图案化结构转移到微米颗粒上，就可以利用简单的平面印刷，完成Janus颗粒甚至更复杂的表面修饰，这或许会拓展这些微粒在生物领域的应用，例如亚细胞尺寸的生物探针、药物载体输运以及微型机器人。上述转移还可以准确定位，比如将＂笑脸＂精准地贴到~4.5 μm的聚苯乙烯微球表面。此外，糖混合物具有良好的生物相容性，转移过程不涉及任何有毒溶剂或转移残留物，对于体内使用不会造成任何危害。
　　胶体微粒表面的微图案化。图片来源： Science
　　REFLEX技术还有更多值得探索的地方，这可能会为电子、光学和生物医学工程等领域的新材料和微结构开辟新的可能性。＂半导体行业已经花费了数十亿美元来完善印刷技术，制造我们所依赖的芯片＂，Zabow说，＂如果我们可以将其中的一些技术，用像糖果一样简单且便宜的材料来扩大应用范围，那不是很好吗？＂ [3]
　　Reflow transfer for conformal three-dimensional microprinting
　　G. Zabow
　　Science ,  2022 ,  378 , 894-898. DOI: 10.1126/science.add7023
　　参考文献：
　　[1] J. Park,  et al . Transfer Printing of Electronic Functions on Arbitrary Complex Surfaces.  ACS Nano   2020 ,  14 , 12-20. DOI: 10.1021/acsnano.9b09846
　　[2] B. N. Johnson, A sweet solution to complex microprinting.  Science  2022 ,  378 , 826-827. DOI: 10.1126/science.ade6722
　　[3] NIST Finds a Sweet New Way to Print Microchip Patterns on Curvy Surfaces
　　https://www.nist.gov/news-events/news/2022/11/nist-finds-sweet-new-way-print-microchip-patterns-curvy-surfaces