深圳国际研究生院汪鸿章课题组合作在液态金属共形电子领域取得新进展
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清华新闻网1月30日电 在可穿戴设备的曲面屏幕、医疗器械的复杂表面、家用电器的不规则外壳乃至飞机机翼、机器人关节与建筑结构表皮等各类三维曲面上，制造高性能柔性电路一直面临诸多挑战，例如共形贴合困难、精度控制复杂、材料适配性差、长期可靠性不足，并且常伴随电路易断裂、信号不稳定、制造良率偏低、规模化生产困难等一系列问题。
近日，清华大学深圳国际研究生院助理教授汪鸿章与天津大学教授黄显、副研究员国瑞合作提出一项创新技术，将看似科幻的场景变成现实——只需像使用“热缩保鲜膜”一样，用热风轻吹，复杂精密的电子电路便可严丝合缝地贴附于任意形状的物体表面。
这种基于自适应基底的新型共形电子器件制备策略，可实现平面电路向三维曲面的高效、精准转化。研究团队以常见热塑性薄膜为基底，采用半液态金属作为导电材料，开发出相应的图案化技术，并结合有限元仿真对电路布局进行优化设计，最终构建出一套低成本、通用性强且制备与安装极为简便的共形电子制造方案。该研究为自适应共形电子器件从实验室走向规模化应用提供了切实可行的新路径。
图1.形状自适应电子器件的概念与设计
研究团队的方案灵感源于常见的热塑性包装薄膜。热塑性薄膜（聚氯乙烯PVC）在生产过程中经高温拉伸后冷却定型，当再次加热至57.0℃-70.6℃的变形温度区间时，内部储存的应力会驱动薄膜收缩，从而紧密贴合目标物体表面。在热塑性薄膜上制备出电路，通过加热即可将所需电路固定在目标曲面上。为解决电路在收缩过程中的稳定性问题，研究团队通过在液态金属共晶镓铟合金（EGaIn）中混入镀银铜颗粒制成半液态金属，使其导电性更强、流动性大幅降低，既能承受剧烈收缩变形，又能避免流动导致的电路失效。配合聚丙烯酸酯（PMA）压敏胶的选择性粘附作用，其可在热塑性薄膜上绘制精度为100微米的电路图案（图1）。针对电路在收缩安装时的变形，研究团队通过有限元仿真，建立了热塑性薄膜变形预测模型，能够根据目标三维曲面的形态，精准设计初始平面电路图案，确保收缩后形成排布合理的功能电路。这种“预设计-热收缩”的流程，既简化了制造工艺，又保证了器件精度。
图2.热收缩方法的通用性验证
该方法通过收缩的方式将电子器件固定在目标曲面上，对目标曲面的材料与状态耐受性强，研究团队通过多场景测试，展现了该技术在目标物体尺度、材质、表面形态及粘附难度上的普适性（图2）。
为展示该技术的应用前景，研究团队制备多种形状自适应电子器件，通过一系列场景化案例展现了该技术在航空航天、智能传感、医疗健康等领域的实用价值，包括模型飞机机翼表面的共形除冰系统、船舶表面制备的共形太阳能阵列、水果运输储存需要的温湿度传感电路，以及可穿戴脉搏波传感器等，这些应用案例充分验证了形状自适应电子器件在不同场景下的稳定性与适配性，为相关领域的技术升级提供了新方案。
该策略无需复杂工艺即可实现平面电路到三维曲面的高效转化，所制备的器件兼具高耐用性与广泛适配性，且制造成本低、操作流程简便。这项技术不仅为可穿戴电子、智能传感等领域提供了新的制造范式，更可能在“万物互联”背景下推动普通物体向智能设备的低成本转型，具有显著的学术价值与广阔的产业化前景。未来，研究团队计划进一步优化印刷工艺以提升电路精度，并开发适用于大型结构件的均匀加热设备，从而拓展该技术的应用范围。
研究成果以“基于热塑性薄膜印刷液态金属电路的自适应三维电子器件”（Shape-adaptive electronics based on liquid metal circuits printed on thermoplastic films）为题，于1月12日发表于《自然·电子学》（Nature Electronics）。
天津大学2025届博士毕业生蒋成杰为论文第一作者，黄显、汪鸿章、国瑞为论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、清华大学深圳国际研究生院交叉基金以及清华大学深圳国际研究生院双螺旋中心郑泉水院士团队的支持。
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