来自云南大理?26 岁白族留学生王文?/span>Q清华大?012U机械系Q?/span>Q和Nl联合研发出微纳c_늺l的 3D 打印技术。论文于 9 ?30 日以《面向^面和 3D 光电(sh)和传感器件的U维打印》?em>Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic andsensing architectures?为题发表?Science Advances 上?/span>
同日Q该研究q登上剑桥大学主늚热点新闻Q其中王文宇是该论文的第一作者，他的导师黄艳燕是论文的通讯作者?/span>
本次研究M剑桥大学官网首页Q来源：(x)剑桥大学Q?/span>
DeepTech联系到正在剑桥大学读博的王文宇和他的导师黄艳燕，他们表示本次研究的主要A(ch)献，是提ZU打印导甉|极好的细U维的首创新Ҏ(gu)?/span>
王文宇（来源Q受访者）(j)
比头发细一癑ր、和铜丝一样导늚微纳c纤l?/span>
微纳c_늺l具有较高的长径比、极低的弯曲刚度和高透明度。假如把微纳c_늺l组装ؓ(f) 3D l构Q就能开发出新型透明透气的柔性电(sh)子器Ӟ其可以用于健L(fng)、物联网和生物电(sh)子传感器{?/span>
(zhn)QU维l构?IFP 制备
Z上述思\Q该团队历时四年q行研发Qƈ成果展C在本次论文中：(x)一U通过同心喷头、来快速精且灉|地打印?zhn)I微U米U维的新Ҏ(gu)?/span>
据王文宇介绍Q微U米U维l构跟普通电(sh)U相|它是一个双层结构，内层是导?sh)内心，外层是绝~高分子包裹物。其直径只有 1-3μmQ和蜘蛛|粗l差不多Q只有hcd丝直径的 1% ?3%?/span>
因此Q用微纳c纤l制作的呼吸传感器，是个小型?zhn)I透明体，它不依附M底板、比表面U也比较大，因此可以非常灉|地感受到呼吸中的湿气。而且Q由于其比较l且可以(zhn)空Q这让气可以直接透过U维|，所以多层纤l网叠加hp够实现气时I分布的三维(g)，管该纤l就像蜘蛛丝一L(fng)Q但也拥有够的韧性，不会(x)L被气吹断?/span>
该研I团队展CZ利用银纳c颗_或者有机导?sh)高分子材料l成的多材料微纳c纤l阵列。相比传l纤l制造工艺，该工艺具有更好的普适性，能够打印不同材料l成的微U米U维Q同Ӟ能打印出(zhn)空的微U米U维|?/span>
使用 iFP 光纤创徏?sh)\l构
׃ iFPQInflight fiber printingQ?zhn)纤l打华ͼ(j)可打印出的纤l不依附于Q何底板，因此与标准透明g薄膜相比Q无衬底导电(sh)U维阵列不存在薄膜衬底吸收和反射光线{问题，因此明显更ؓ(f)透明?/span>
在此基础上，该团队展CZiFP 程打印的新型电(sh)路架构，?3D “?zhn)?LED ?sh)\”的概念。此外，整个 iFP 程在低?100C 的环境中完成Q因此，U维阵列能直接集成到熔融温度较低的材料上Q如常用?3D 打印塑料?/span>
q一优势Z成本和易l装?3D “?zhn)?LED ?sh)\?成ؓ(f)可能。本ơ研I还首次提出一U新Ҏ(gu)Q即采用一步到位的Ҏ(gu)来将打印出来的微U米导电(sh)U维直接集成到电(sh)路上Q从而减了传统导电(sh)U维制备工艺中不可避免的复杂后处理?/span>
同时QiFP q程q可以将微纳c纤l在打印的同时就纤l节点“焊接?hQ像金属和高分子q些差异很大的导늺l_(d)都能被一步到位的 “焊接?在同一个多材料U维|络中。在具体应用中，׃微纳c电(sh)子纤l具有高导电(sh)性和机械强度Q因此能q接和支撑?zhn)I的微小?sh)子器gQ从而制?3D “?zhn)?sh)路”?/span>
Z此，王文宇和团队制作ZƑ֏I戴呼吸传感器，׃导电(sh)U维h高透气性，该传感器能在水汽自由透过的情况下Q检呼出气体水汽的时空分布信息?/span>
可穿戴的低成本呼吸检器
具体来说Q该传感器可以检正常呼吸、快速呼吸和咛_{不同状态下的呼吔R率和呼出气体扩散情况。由?iFP 打印出的微纳c纤l电(sh)d湿度成正相关Q因此直接将在纤l阵列两端检到的电(sh)阻除以一个系数后Q就直接得出湿度Q这样做的好处是可以让检更高效Q更低耗能和更直观?/span>
该团队告诉DeepTechQ该传感器在(g)快速呼吸时的分辨率Q明显优于同cd用传感器Q这得益于微U米U维的高灉|度。研I小l发玎ͼl物或手术口|的大部分泄漏均来自口罩正面Q?N95 口罩的大部分泄漏来自剙和侧面与脔RE接触的部位?/span>
但是Q两U类型的口罩在正佩戴时均有助于减弱正向的呼出气强度。在实验中，王文宇将呼吸传感器置于不同类型口|的外侧Q以(g)正常呼吸和咛_时呼出气的分布Q结果发Cơ性口|和 N95 口罩只要正确佩戴Q均可以减弱正向的呼出气强度?/span>
q样一Ƒ֤材料的三l可I戴传感器，和智能手机结合在一P可以方便的检呼吸时的口部状c(din)呼吸时气体的走向、气体的湿度、呼吸的频率、咳嗽声音的异常?/span>
q么多维度信息结合v来，可ؓ(f)q程健康诊断提供更好、更便宜的解x案。尽该传感器目前无法做到检病毒颗_，但是诸多研究都表明，新冠病毒{病毒和微生物可通过呼吸道飞沫和气溶胶传播?/span>
因此Q通过量不同cd的呼出气体分布和方向Q可以指gh们合理选用和佩戴口|。除U维传感器以外，3D 打印微纳c_늺l技术还可制备出很多产品?/span>
比如Q该U维q能引导且感受到生物l胞(yu)在纤l上的表现。因为微U米U维是用 3D 打印出来的，?3D 打印的优势，在于其可以灵zL印各U模型。以本次展示的多U品模型ؓ(f)例，后箋q可q行再{化和多方面的应用?/span>
王文宇表C，日后q可通过技术优化，来让该纤l检呼吸时口中的其他气体，比如呼出来的氨气、二氧化뀁酒_量等Q这些气体的含量可以间接的反映n体的健康状况?/span>
除呼怼感器外，3D U维打印技术还可用于制造生物相Ҏ(gu)导?sh)高分子U维Q这U纤l可引导l胞(yu)q动、ƈ能将q种动态过E以?sh)信h式输出，q可l日后生物电(sh)子设备的发展?3D l胞(yu)(g)，提供一定的研究思\?/span>
而小型导늺l之所以表C异，一是因为其hl构优势Q二是因为检直观。因为它的体U非常小Q因此其底表面积的值就大Q再加上它可以?zhn)I，所以能灉|地检湿气的变化?/span>
据王文宇的导师黄艳燕介绍Q本ơ传感器的制造材料成本大概在 10 元h民币以下。如果大扚w生h?x)更低，再考虑人工和机器，成本估计大约几块钱?/span>
不过黄艳燕也对其他媒体坦aQ“与传统的薄膜技术相比，由小型导늺l制成的传感器对 3D 体和气体的体积(g)特别有用，但到目前为止Q打印它们ƈ其l合到设备中大规模制造它们一直是一个挑战。?/span>
谈及(qing)研究中难忘的事情Q王文宇表示Q该目持箋长达三四q_(d)才做L(fng)成果Q期间黄艳燕q位来自中国深圳的华人教授，l了他很多指对{?/span>
黄艳燕（来源Q黄艳燕个h主页Q?/span>
一q多前，在课题组q行的过E中Q黄艳燕刚好生二宝，但是即便刚生完宝宝，她也没有落下Nl工作，甚至让学生去她家里开?x)和讨论?/span>
有一ơ，王文宇去黄艳燕家里开?x)，H然听到孩在二楼的哭声。这让他非常感慨Q作Z名母亲和一位教授，同时要奔波在家庭和课题组两头?/span>
与此同时Q黄艳燕本n也是剑桥大学工程p里面少有的q轻x科学家。而黄艳燕g的王文宇Q则一个善于合作的人。她说在合作论文Ӟ即便王文宇是二作、或者是|名更靠后的论文Q他都会(x)很努力地d?/span>
来剑桥之前，王文宇在清华大学机械工程pd?fn)。来剑桥之后Q他曾接待清华校友参观他所在的实验室。学?fn)之余，他还是清华校友?x)剑桥地区的负责hQ^日负责组l校友活动，2020 q初q曾l织校友为武汉募捐医疗用品，捐赠物品分别发往湖北武汉、黄冈和宜昌的三家医院?/span>
带学弟学妹参观剑桥实验室Q戴手套者ؓ(f)王文?/span>
q位高中毕业于云南师大附中的白族男孩Q课余喜Ƣ读书和旅游。如果说实验室的小天地Q是他发挥才华的专业园圃Q那么，在v外运营清华校友会(x)Qƈ号召捐赠疫情中的湖北Q则是这?90 后n在v外不忘家国的体现。他课余发表q文章的公众P也经常发布华国的招聘信息?/span>
王文宇和导师黄艳燕都来自中国Q这ơ成果已l得到很多外媒报道，但黄艳燕收到 DeepTech 的报道邀(g)U时Q虽然她的中文不甚流畅，但还是尽量用中文交流。技术上q，情怀热切Q是q对华h师生lh的最大印象?/span>
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