研究背景

个人娱乐和医疗保健应用对可适应任意表面且功能可编程的柔性电子产品有很高的要求。为了满足这种柔性电子产品，非常需要优化电子电路的几何和空间设计，使其面积或体积功能最大化的柔性电极。一般来说，柔性电子电路是通过转移印刷方法制造的，即在可牺牲和可分解的基材上用喷墨印刷、喷雾印刷或丝网印刷等方法印刷导电电路，然后释放并转移到目标基材上。然而，由于转移基材的限制，这些基材支持的转移印刷方法不能利用设计的微图案进行机械变形和多层整合。转印基底和任意目标表面之间的不匹配会在大的和复杂的变形过程中造成电路的断裂，降低电极的机械和电气性能。此外，额外的基板限制了薄膜电极与三维(3D)电子器件的多层集成限制了电极的可部署功能破坏了任意弯曲表面的适配性。因此，开发一种能够制造独立的、多材料和多层电极的图案化策略是非常可取的。

研究成果

新加坡南阳理工大学陈晓东教授报告了一种蒸发辅助图案(SHAPE)方法，通过采用蒸发诱导的界面应变错位，制造出可自动拆卸的、独立的、可图案化的电极。SHAPE 方法利用真空过滤聚苯胺/细菌纤维素(PANI/BC) 墨水，通过一个掩蔽的过滤膜来打印高分辨率、图案化和多层电极。强大的层间氢键确保了强大的多层完整性，而PANI/BC 的可控蒸发收缩特性诱导了电极和滤膜在界面上的应变不匹配，从而使电极自动脱离。此外，使用SHAPE方法制造的500层无衬底微型超级电容器在功率密度为40 mW cm^-2时表现出350 mWh cm^-2的能量密度，比报道的衬底封闭的同类产品高100倍。此外，使用SHAPE方法制造的数字电路在变形的手套上稳定运行，突出了SHAPE方法的广泛的可穿戴应用。相关研究以“Strain-Driven Auto-Detachable Patterning of Flexible Electrodes”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 采用蒸发诱导的界面应变失配，报告了一种蒸发辅助图案(SHAPE) 方法，以制造用于柔性电子的独立和多材料的多层电极。

2. 合成了具有可控蒸发收缩特性的聚苯胺(PANI) 修饰的BC水性油墨作为图案化油墨材料。

3. 用SHAPE方法制作的柔性、多材料和多层数字电路在变形的手套上稳定运行，

突出了SHAPE方法的广泛可穿戴应用。

图文导读

Figure 1. Physicochemical and structural characterization of PANI/BC composite with evaporative shrinking properties.

Figure 2. The SHAPE-fabricated multilayer and multi-material high-resolution electrodes.

Figure 3. Electrochemical performance of SHAPE-fabricated freestanding microsupercapacitor devices.

Figure 4. The SHAPE-fabricated freestanding and conformable electronics.

总结与展望

在这项工作中，作者报告了一种SHAPE策略，即利用界面应变错位，用PANI/BC墨水制备可自动拆卸、灵活和可图案的电极。PANI/BC固有的-OH官能团允许以强层间结合的方式形成多层电路。此外，PANI/BC独特的蒸发收缩特性使得多层电路很容易从过滤膜上剥离。此外，SHAPE 制造的微型超级电容器具有可拉伸的回心式蜂窝结构，可以获得400%的拉伸应变，同时在10000次循环后保持94.2%的体积电容。同时，PANI/BC 复合材料的自粘性能使多个器件易于组装。一个集成的微型超级电容器可以由500层微型超级电容器垂直堆叠而成，在电流密度为50 mA cm^-3的情况下，增强的面积电容为50.2 F cm^-2，比传统的三维微型超级电容器高两个数量级。最重要的是，通过SHAPE方法可以制备集成有多个微型超级电容器的独立和多层电路。可编程电路在弯曲的表面上是可以顺应的，同时在动态变形下保持稳定的性能，证明了SHAPE 方法在可穿戴电子设备中的广泛用途。

文献链接

Strain-Driven Auto-Detachable Patterning of Flexible Electrodes, DOI：10.1002/adma.202202877