可穿戴电子是人工智能与机器人领域的关键硬件基础，激光诱导石墨烯（LIG）电路因导电、可编程和数字化制造优势备受关注。然而，传统石油基芳香族前驱体刚性强、难降解、成本高，且激光加工易损伤柔性基底，限制了其广泛应用。

　　针对这一难题，华南理工大学化学与化工学院、先进造纸与纸基材料全国重点实验室钱勇研究员团队提出一种基于生物质资源木质素磺酸钠（LS）的无损集成策略：利用导热载体控制激光转化过程，结合木质素磺酸钠水溶性实现LIG图案的无应力转移，无损集成到不同模量和热稳定性的聚合物薄膜上。该策略可在20 µm超薄、69 kPa低模量、84 °C低熔点薄膜上集成电阻低至15 Ω/sq的复杂LIG电路，并通过卷对卷加工，制备出1500 mm×100 mm以上柔性电路卷。

　　在此基础上，应用于发光、电子与传热等六种柔性器件，并验证了12种基底的适配性，在柔性电子应用中显示出良好的普适性。此外，木质素磺酸钠前驱体不仅可多次水溶回收，还可被生物快速降解。生命周期评估表明，其环境足迹较石油基前驱体降低约90%，循环使用成本不足聚酰亚胺的1%，为可持续柔性电子制造提供了绿色新路径。

图文解读

　　LIG工艺中难以避免的热效应，会使前驱体熔融渗入LIG碳中，导致图案难以转移到目标基底。本研究提出，以水溶性LS替代传统不溶/不熔刚性前驱体。在制备中，引入导热载体快速消散激光余热，获得精细电路图案。随后在图案上原位固化聚合物浆料形成柔性基底，再通过水洗去除剩余前驱体，实现LIG电路的无损集成（图1）。该策略避免了热与应力损伤，突破了基底热稳定性和厚度限制。

图1. 木质素基LIG电路的设计思路

　　ReaxFF分子动力学模拟揭示，LS向LIG的转化分为两步（图2）：先经历动力学碳化，前驱体快速分解释放杂原子及部分碳，形成无定形碳簇；随后在约3500 K持续加热下发生热力学重排，无序多环结构逐步转变为有序六元环石墨烯网络，五元环和七元环作为拓扑缺陷保留。高质量LIG依赖约3500 K的温度窗口。2000 K下能量不足，产物趋于无定形；5000 K下碳碎片过度活跃，难以形成长程有序结构。这说明实际加工既需要瞬时高温实现LIG转化，又必须精细管理热效应。由于绝大多数聚合物基底无法承受约3500 K的高温，快速散热与热损伤控制成为兼顾基底完整性和LIG质量的关键。

图2. 从木质素到LIG的热转化机制

　　高温是形成高质量LIG的前提，但热扩散会带来新问题：纵向残余热会氧化甚至烧穿碳层，横向热蔓延则会降低图案精度并引起前驱体熔融变形。为此，研究引入导热载体作为前驱体衬底，快速消散多余热量，将热影响限制在目标加工区域；同时精确调控激光功率，提供合适的转化能量。为进一步匹配连续涂布与卷对卷制造，团队在木质素磺酸盐中引入PVA和甘油，赋予浆料剪切变稀特性，并平衡前驱体成膜性、柔韧性与激光转化效率。在热管理、配方与功率协同优化下，所得LIG方阻低至15 Ω/sq，ID/IG低至0.28，具有从0.1 mm到100 mm以上的均匀形貌和多级孔结构，比表面积达98–263 m²/g，综合性能与石油基LIG相当。

图3. 木质素衍生LIG的制备及性能

　　激光高温会使前驱体熔融并渗入LIG多孔结构，形成互锁界面，导致图案难以分离。LS的水溶性提供了无应力解决方案：水洗即可溶解互锁界面，使LIG电路自发释放，无需机械剥离，因此超薄、低模量薄膜也能无损转移。转移过程分为三步：LIG在前驱体中形成、聚合物浆料原位渗透固化、水洗去除残余前驱体，最终形成聚合物/LIG三维互穿结构，整个转移过程电阻变化小于1%。该策略兼容紫外、热和挥发固化等常规加工方式，已验证适用于12种不同基底，覆盖常用材质的聚合物薄膜。原位形成的柔性聚合物渗入LIG导电骨架，刚柔并济地分散应力，显著提升可穿戴场景下的机械稳定性与环境可靠性（图4）。

图4. 水辅助的LIG电路图案转移

　　可持续性方面，木质素前驱体以造纸副产物木质素磺酸盐为主，可水溶再生并多次循环使用，且能被土壤微生物和面包虫快速降解，而石油基前驱体几乎不可降解。生命周期评估显示，其单次环境影响仅为聚酰亚胺的10%；在90%原料回收再生的场景下，累计碳排放、生态毒性和经济成本分别需45、35和250次循环才达到聚酰亚胺水平。综合来看，木质素前驱体在环境与经济效益上均显著优于石油基前驱体，是一种极具潜力的可持续替代方案。

图5. 木质素前驱体的可回收性、生物可降解性和环境影响评估

　　单一LIG图案功能有限。研究提出原位基底功能化策略：在图案转移时，将液态或固态功能填料直接混入基底浆料，使其渗入LIG多孔骨架并原位固化，与导电网络形成紧密接触，从而赋予LIG电路不同功能。基于这一策略构建了集成肌电传感、温度感知与焦耳加热的柔性热疗系统（图6）。更换功能填料后，还可制备应力传感器、超级电容器、电致发光面板等器件。该方法将木质素基LIG从单一导电材料拓展为面向储能、光电和多类传感的通用柔性电子平台。

图6. LIG电路的功能化及柔性电子应用展示

总结与展望

　　本研究以造纸副产物木质素磺酸盐为绿色前驱体，结合导热载体与水辅助无应力转移，实现了LIG电路在超薄、低模量、低熔点等多种柔性基底上的无损集成，并构筑了多类可穿戴器件。木质素前驱体可多次循环再生，且能生物降解并重新进入自然循环；生命周期评估显示其环境影响仅为聚酰亚胺的约10%，循环使用成本不足聚酰亚胺的1%，有望成为石油基聚酰亚胺前驱体的可持续替代。该工作为木质素高值化利用和下一代绿色可穿戴电子制造提供了新路径，凸显了木质素在可持续电子领域的巨大潜力。

论文信息

　　相关研究成果以“Nondestructive Integration of Laser‐Induced Biomass Graphene for Sustainable Wearable Electronics”为题发表于《Advanced Materials》。论文第一作者为华南理工大学博士研究生蔡旻堃，通讯作者为华南理工大学钱勇研究员。该研究工作得到了先进造纸与纸基材料全国重点实验室自主研究课题基金（2024QN04）等的资助。

　　论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74667

通讯作者简介

　　钱勇，华南理工大学化学与化工学院研究员、三级教授、博士生导师，先进造纸与纸基材料全国重点实验室青年科研骨干。广东省杰出青年基金、国家自然科学基金优秀青年基金获得者。中国化工学会精细化工青年委员会副秘书长，中国化工学会日化专业委员会委员。2009年本科毕业于太原理工大学，2014年博士毕业于华南理工大学，2013-2016年在加拿大麦克玛斯特大学联合培养和博士后研究，回国以后留校任教，2017年破格晋升为研究员，2020年入选全球华人化工学者评选的“未来化工学者”。近年来，围绕天然生物质资源木质素在日化、能源和电子领域的高值利用开展应用基础研究，相关成果在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Small Methods、Engineering等领域重要期刊发表SCI论文100余篇，获得授权中国发明专利20余项，美国专利4项。2021年获得广东省技术发明一等奖，2022年获得中国工程院闵恩泽能源化工奖——青年进步奖。