ACS Nano：可3D打印可重復(fù)書寫液態(tài)金屬水凝膠

來源： EngineeringForLife

導(dǎo)讀：具有機(jī)械柔韌性和可變形的電氣接口對于柔性電子產(chǎn)品至關(guān)重要，這其中液態(tài)金屬是一個非常有潛力的材料。在這篇ACS Nano報道中，來自韓國的研究人員展示了一種可重復(fù)書寫的液態(tài)金屬水凝膠，可通過光固化的方式成形。

近期韓國延世大學(xué)Min Koo團(tuán)隊發(fā)表在ACS Nano雜志上題為“Rewritable, Printable Conducting Liquid Metal Hydrogel”的文章，報導(dǎo)了一種具有機(jī)械柔性、可印刷、可重寫電導(dǎo)體的液態(tài)金屬水凝膠（LMH）。LMH是具有垂直相分離的EGaIn顆粒的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）在紫外光照射下凝膠化形成的。EGaIn顆粒聚集表面上的受控摩擦力可去除覆蓋在表面上的PEGDA，然后破壞劃痕區(qū)域中顆粒的天然氧化物層，從而形成導(dǎo)電電路。當(dāng)LMH水合并溶脹時，可通過表面重構(gòu)將書寫電路輕松擦除，形成帶有天然氧化物層的EGaIn顆粒。隨后，再次在復(fù)位LMH上的摩擦寫入來開發(fā)另一個電路，從而使系統(tǒng)可重寫。

圖1  LMH的制備過程與表征

通過控制刮擦摩擦力或改變金屬圓柱體的尺寸，很容易制造出具有各種線寬的導(dǎo)電電路線。當(dāng)表面摩擦力大于約320μN時，LMH的電阻在對數(shù)刻度上突然下降，從而產(chǎn)生電導(dǎo)率，表明宏觀滲透金屬液體通路導(dǎo)通。在施加表面摩擦力的同時，LMH的微觀結(jié)構(gòu)表明液態(tài)金屬平滑導(dǎo)電線路的發(fā)展機(jī)理。

圖2  LMH上摩擦燒結(jié)電路

由于水能夠使LMH的表面膨脹和溶脹而引起的表面重建，很容易消除LMH上的摩擦感應(yīng)電路。當(dāng)將水施加到具有書面電路的LMH時，由于PEGDA的水合作用，LMH的整個表面都溶脹了，使表面上的電路消失了，并且該表面完全被含PEGDA的水覆蓋。當(dāng)水被干燥時，LMH被去溶脹，重建的表面具有淺灰色，類似于初始表面的顏色。顯然，薄膜變得不導(dǎo)電。LMH在水中的溶脹程度根據(jù)以下公式進(jìn)行定量：溶脹比（％）=（Ws-Wd）/ Wd×100，其中Ws和Wd是溶脹和干燥狀態(tài)下LMH的重量。寫入電路的電阻隨溶脹率而增加，并以約4％的溶脹率突然增加。薄膜在10％的低溶脹率下變得不導(dǎo)電，在此之上，電阻幾乎不變。

圖3 LMH表面水擦除電路過程

如圖4d和e所示，LMH還適用于基于LMH的光圖案化的機(jī)械柔性3D電極。如圖4d所示，在UV照射步驟中采用了薄膜型光掩模來交聯(lián)LMH。當(dāng)根據(jù)光掩模的形狀和尺寸，在溶劑中去除未曝光的區(qū)域時，會獲得各種帶圖案的LMH。此外，使用常規(guī)的UV光刻技術(shù)，可以實現(xiàn)機(jī)械堅固且靈活的3D電極，使其可用于可拉伸的電子應(yīng)用。基于LMH的可重寫2D和3D可印刷電路具有巨大潛力，可作為各種新興電子應(yīng)用（包括可穿戴天線，顯示器和傳感器）中的關(guān)鍵電子組件。

圖4 基于LMH的可重復(fù)書寫電路應(yīng)用

論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.9b03405