微结构阵列因其在柔性电子、光学器件与生物传感等领域的广泛应用而备受关注，但传统制备往往依赖光刻等高成本、流程复杂的工艺，且图案更新与功能重构能力有限。

近日，西安交通大学机械工程学院王莉团队在荷电微液滴可控沉积与微结构阵列可重构制造方面取得新进展。研究团队提出一种基于残留电荷诱导电场调控的荷电液滴选择性沉积方法（Selective Deposition of Charged Droplets via Residual-Charge-Induced Electric Field Control, SDREC），实现了微结构阵列的可编程图案化构建与“擦除—重写”式可逆制造。

图1 论文信息

研究团队针对静电雾化/电流体沉积过程中“残留电荷会扰动后续液滴轨迹、影响沉积精度”的共性难题，反向利用残留电荷对局部电场的调制作用：通过电极图案与电场边界条件设计，使带电微液滴在飞行与落点阶段受到可控的电场牵引/排斥，实现对“该落在哪里、落多少、落成什么形貌”的选择性调控，从而将原本不利于成形的残留电荷效应转化为“可编程图案化”的关键驱动力。

图2 SDREC工作原理示意图

在实验验证中，团队在蚕丝蛋白表面实现了高分辨率图案化微结构阵列制备：选择性沉积形成的蜂窝状多孔微结构可复现校徽等复杂图形；同时通过线阵列分辨率测试，图案特征宽度可从毫米级进一步推进至20 μm量级，为高精度、低成本的微结构制造提供了新路径。

图3 基于SDREC的图案化微结构制备

作为概念验证，研究团队构建了可编程5×5像素阵列，并展示了图案的擦除与重写能力：图案不再一次成型、不可更改，而是可以在同一基底上进行多次更新与重构。

图4 图形化微结构的可编程、可擦除、可重写制备

在可重构制造之外，该工作进一步将图案化微结构阵列转移至形状记忆聚合物上，实现了信息存储以及光学加密/解密展示。这为微结构阵列从“形貌构建”拓展到“信息功能器件”提供了新的应用方向，面向柔性光学防伪、可穿戴信息载体等场景具有潜在价值。

图5 利用图形化微结构阵列进行信息存储和加密

面向器件化应用，研究团队还在图案区域预沉积银纳米颗粒，并在此基础上实现了银电极的构建，展示了SDREC在“结构—功能”一体化制造中的拓展潜力，为柔性电子与图案化电极制备提供了新思路。

图6 图形化银电极制备

该研究为面向柔性电子、光学调控与生物传感等应用的高精度微结构阵列制造提供了具备重构能力的新型工艺思路：在避免复杂掩膜与多步光刻的同时，通过电场与残留电荷的协同调控实现图案快速迭代与功能扩展，为快速构建高精度微结构器件提供了可借鉴的技术路线。

相关成果以Selective Deposition of Charged Droplets for Programmable and Rewritable Printing of Patterned Microstructure Arrays为题在Advanced Science在线发表，机械工程学院博士生裴跃琛为论文第一作者，王莉副教授是共同第一作者兼通讯作者。

西安交通大学机械工程学院王莉团队长期从事电流体3D打印研究，已建立较为成熟的装备平台、工艺方法与材料体系，并在电流体打印中实现剪切取向可控排列的一维微纳材料方面积累了系统经验，相关成果作为Science Advances封面文章（DOI: 10.1126/sciadv.adk3854） 与ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.2c09672）发表。同时，团队通过电场调控引导液滴沉积，开发了电雾化“水刻蚀”新方法，实现微纳尺度准周期孔状结构的可图案化制备发表在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104974）。

课题组在中国工程院院士卢秉恒领导下的西安交通大学先进制造技术研究所工作，研究围绕微流体行为调控的增材制造及相关应用场景展开，应用范围在高精度3D打印等领域，涉及的工艺有压电微喷3D打印、高精度EHD打印、快速无层面曝光打印等，涉及的材料包含金属、非金属有机、无机、高分子等。研究范围包括基于深度学习的3D打印、微纳制造、软体机器人及电子/微电子打印与光电子器件制造、3D打印结构功能创新设计应用等。