Korea University–KAIST–KIMM Joint Team Demonstrates Novel Nano-transfer Technique Capable of Adhesive-free Transfer onto Curved Lenses, Plant Leaves, and Lotus Leaves

Metal thin films floated on water and lifted directly onto target surfaces — no heat, pressure, toxic solvents, or adhesives required

Technology holds potential for application in next-generation monitoring sensors for smart farming, wearable healthcare, and bioelectronics

 

A research team led by Professor Ahn Junseong of the Department of Control and Instrumentation Engineering at Korea University Sejong Campus, in collaboration with a team led by Professor Inkyu Park of the Department of Mechanical Engineering at KAIST and a team led by Dr. Jeong JunHo of the Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM), has developed a Water-Floating nanoTransfer Printing (WF-nTP) technique capable of transferring precisely patterned metal thin films floated on the surface of water onto diverse three-dimensional surfaces, including curved optical lenses, plant leaves, and lotus leaves.

This research addresses the substrate limitation long identified as a fundamental constraint of conventional nanotransfer printing technology. Nanotransfer printing is a technique for transferring prefabricated nano-patterns onto other surfaces, and has been applied in the fabrication of ultra-high-resolution circuits, optical devices, and chemical sensors. However, conventional methods frequently require toxic solvents, strong adhesives, and high-temperature heat treatment to separate patterns from their molds and have largely been restricted to flat surfaces making them difficult to apply to curved or biological surfaces sensitive to heat and pressure.

To overcome these limitations, the research team proposed an approach in which a patterned metal thin film is floated directly on water and then lifted onto the target surface. Metal materials including gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and nickel (Ni) were deposited as thin films onto a polymer mold in which patterns had been inscribed via nanoimprinting. A plasma process was then used to create microscopic voids between the metal thin film and the mold. When the mold was submerged in water, the water permeated these voids, causing the thin film to detach naturally and rise to the water's surface while retaining its designed pattern at a thickness of approximately 20 nanometres.

The team transferred the film using a "scooping" method, in which the target object is submerged beneath the floating film and slowly lifted upward. As residual water on the surface evaporates, capillary forces cause the film to adhere tightly; once the water has fully evaporated, van der Waals forces intermolecular attractive forces act to secure the film stably to the surface without the need for any adhesive.

The most significant feature of this technology is the breadth of surfaces to which it can be applied. The team successfully transferred metal thin films without cracking onto convex optical lenses with a radius of curvature of 6 mm, plant leaves, and the rough, uneven surfaces of apples and oranges. The technique was further extended to hydrophobic surfaces including water-repelling lotus leaves and stretchable thermoplastic polyurethane (TPU) fibers by adjusting surface tension through a mixture of water and ethanol.

To demonstrate the practical utility of the developed technology, the team presented two application examples. The first is a surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensor for detecting pesticide residues. By stacking multiple layers of metal nanostructures to amplify molecular signals and transferring these directly onto the leaves and fruit of lemon-orange trees, the team succeeded in detecting thiram, a pesticide compound. This demonstrates potential as a non-destructive inspection technique capable of measuring pesticide residue levels in the field without harvesting leaves or fruit.

The second application is a hydrogen gas sensor based on stretchable fibers. The team transferred a palladium (Pd) thin film whose electrical resistance changes upon reaction with hydrogen onto TPU fibers, achieving stable detection of hydrogen gas at a concentration of 1%, which is below industrial safety thresholds. High selectivity was also confirmed, with the sensor exhibiting minimal response to other gases including carbon monoxide, hydrogen sulphide, and nitrogen dioxide.

Professor Ahn stated, "The technology developed in this research resolves the substrate limitation that has been the most significant constraint of conventional nanotransfer processes, opening the possibility of forming high-precision nano-patterns without damage on surfaces sensitive to heat and pressure such as plant leaves or human skin. We expect it to serve as a key foundational technology across a range of advanced industries, including non-destructive pesticide monitoring for smart farming, wearable healthcare devices, and bioelectronics systems."

The study was led by doctoral candidate Kang Byeongho of the Department of Mechanical Engineering at KAIST and the Nanolithography Research Centre at KIMM as first author. It was published on 30 March 2026 in the international peer-reviewed journal Nature Communications under the title "Versatile water-floated nanostructures for three-dimensional nanotransfer printing."

This research was supported by the K-Sensor Technology Development Program of the Ministry of Trade, Industry and Energy and the Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT) ("Development of a Large-area Wafer-level Flexible and Stretchable Hybrid Sensor Platform for High-density Multi-functional Sensors with Free-form Geometry," RS-2022-00154781), the Mid-Career Researcher Support Program of the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science and ICT, and the Alchemist Project funded by the Ministry of Trade, Industry and Energy through KEIT.