5月21日，国际顶级学术期刊《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS) 在线刊发了我院黄永安教授、尹周平教授团队关于3D表面微纳结构共形喷印技术的最新研究成果“Transient charge-driven 3D conformal printing via pulsed-plasma impingement（基于脉冲微等离子体冲击附着的瞬态电荷驱动的3D共形喷印）”。我院博士生蒋宇、副教授叶冬为论文共同第一作者，黄永安教授为论文通讯作者，尹周平教授、硕士生李奥康、本科生曾明涛等为共同作者，智能制造装备与技术全国重点实验室为论文第一完成单位。
在复杂三维表面上实现微纳结构和电子元件的无缝集成对于推动创新型三维曲面电子器件的发展至关重要，例如飞行器智能蒙皮、人形机器人电子皮肤、电磁超材料、智能眼镜等。对于三维共形电子应用而言，现有一系列共形制造方法尚难以在任意3D结构上实现精细图案的制备，迫切需要开发高分辨率图案化的技术。
研究团队巧妙地利用物质的第四态——等离子体——实现了基板表面瞬态电荷调控并用来驱动3D共形打印，首次提出了“等离子体诱导电流体喷印（PiE-Printing）”新原理新方法。通过大气压冷等离子体射流在介电表面形成局域瞬态电荷，可编程地构建虚拟电极用以产生局域强电场，并且无需担心残余电荷积累。功能墨水经由电流体动力喷射原理从喷嘴射出，通过局域静电力吸引沉积于二维平面或三维曲面，其喷印分辨率可达~450 nm，并具有广泛范围的墨水粘度兼容性。
等离子体诱导电流体动力喷印
该新技术利用等离子体射流将带电粒子瞬时沉积在介电表面。充电过程包含两个部分：（1）在脉冲放电上升沿期间，正电荷沉积于表面形成局域电场，诱导喷嘴处接地的功能墨水发生电流体动力喷射并实现微液滴沉积；（2）在脉冲放电下降沿期间，负电荷沉积以抹除正电荷。这种瞬态表面沉积电荷作为虚拟电极，相对于实际电极具有多种优势，包括无需预设电极和导线、可间歇产生局部电场，只需调整等离子体参数实现时空编程电荷调节。
等离子体诱导的电介质表面充电行为
等离子体诱导电流体喷印技术的显著优势之一在于其与绝缘2D/3D形状基底的出色兼容性。通过等离子体与表面相互作用形成的局域瞬态电荷，几乎可在任意介电层上构建所需的喷射电场。该技术可实现自对准3D微打印，纤维逐层堆叠可达1400层，以及实现液滴反重力分配和狭小腔体内壁共形打印。
PiE-Printing的多功能性与应用
等离子体诱导电流体喷印技术具备高分辨率、大粘度范围墨水适用性、基板良好兼容性、在三维表面全方位打印等诸多优势，突破了传统电流体喷印技术在复杂曲面绝缘基板的应用难题，能在2D/3D介质表面实现多种材料墨水的微米/亚微米结构和薄膜的制备，结合团队前期研制的三维曲面电子共形喷印制造装备，可为飞行器智能蒙皮、人形机器人电子皮肤、电磁超材料、共形天线、立体电路等一系列三维曲面共形电子器件提供前景广阔的制造途径。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金（国家杰出青年基金、面上项目、“机器人化智能制造”基础科学中心项目）等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2402135121
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