【研究背景】

兼具流動性和導(dǎo)電性的室溫液態(tài)金屬（如鎵銦合金）在電子皮膚，軟體機器人，可穿戴傳感器以及柔性/可拉伸電子器件中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。圖案化液態(tài)金屬是其邁向功能性器件的關(guān)鍵一步，也是液態(tài)金屬研究領(lǐng)域的熱點之一。液態(tài)金屬較高的表面張力以及表面氧化層的存在使得很難利用傳統(tǒng)印刷或打印的方式實現(xiàn)圖案化，而現(xiàn)有的圖案化技術(shù)往往涉及到繁瑣耗時的操作步驟，精密模具的加工，復(fù)雜的表面改性以及昂貴的儀器設(shè)備。此外，每一種圖案化技術(shù)通常為特定的或者某一類平面基底設(shè)計，這些問題不僅增加了器件制作的時間和成本，也阻礙了液態(tài)金屬的廣泛應(yīng)用。因此，發(fā)展一種簡單高效并且普適的液態(tài)金屬圖案化方法非常必要。   近日，東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點實驗室課題組報道了一種巧妙、簡單的液態(tài)金屬圖案化新方法，該方法只需將少量的磁性微粒如鎳粉分散到液態(tài)金屬中，在磁場作用下，磁性微粒聚集在液態(tài)金屬液滴內(nèi)部，產(chǎn)生毛細(xì)作用，增強了微粒聚集體和液態(tài)金屬的黏附作用。在移動磁鐵的過程中，聚集的磁微粒牽引著液態(tài)金屬液滴使其連續(xù)鋪展在基底表面，從而實現(xiàn)直接圖案化。此外，將微型磁鐵插入到液滴內(nèi)部后，可以直接在基底上“書寫”液態(tài)金屬。線寬的調(diào)節(jié)可以通過簡單地改變磁顆粒濃度或者液滴的體積實現(xiàn)。該方法的另一個優(yōu)點是可以在超疏液態(tài)金屬的基底上如紙張（接觸角大于150°）實現(xiàn)直接圖案化，這是因為磁微粒受磁場作用聚集在液滴底部的同時，也增強了液態(tài)金屬和基底的接觸。由于磁場操控在空間上的靈活性，該方法不僅適用于任意平面基底，還適用于三維曲面，即使是相對封閉的空間內(nèi)，比如可以在柔性微管的內(nèi)壁上直接圖案化液態(tài)金屬。除了圖案化方法的展示，該工作還展示了一系列基于該新方法制備的可穿戴傳感器以及柔性/可拉伸電子器件。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 利用磁場實現(xiàn)液態(tài)金屬圖案化

A、B 利用磁場實現(xiàn)液態(tài)金屬圖案化示意圖；

C在不同的平面和曲面基底上實現(xiàn)液態(tài)金屬直接圖案化。

圖2 材料表征與磁響應(yīng)

A 分散有鎳粉的液態(tài)金屬電鏡和EDX表征；

B、C液態(tài)金屬液滴在紙張和PDMS基底上的磁響應(yīng)現(xiàn)象

D、E 線寬與磁顆粒濃度和液滴體積的關(guān)系。

圖3 應(yīng)用1：柔性電子器件的制備

A 柔性可穿戴應(yīng)力傳感器的制作示意圖；

B、C 電阻-拉伸變化曲線以及疲勞測試曲線；

D 傳感器對微小壓力（20-480Pa）的實時響應(yīng)曲線；

E 傳感器對頸動脈脈搏的實時響應(yīng)用于心率監(jiān)測；

F 圖案化在PDMS柔性基底上的液態(tài)金屬導(dǎo)線用于可拉伸電子器件；

G 圖案化的液態(tài)金屬電極用于電致發(fā)光顯示。

圖4 應(yīng)用2：在超疏液態(tài)金屬的基底上直接圖案化

A、B 紙張上的液態(tài)金屬液滴在外加磁場下接觸角和附著力變化對比；

C、D液態(tài)金屬導(dǎo)線的電阻在紙張彎曲時的微小變化，以及疲勞測試曲線；

E 圖案化于紙張上的NFC天線用于從手機無線獲取能量。

圖5 應(yīng)用3：在相對封閉空間內(nèi)圖案化液態(tài)金屬

A-E 在柔性硅膠微管內(nèi)壁上（內(nèi)徑：800 μm）圖案化螺旋形的液態(tài)金屬，并作為可拉伸導(dǎo)線；

F 微管電阻對拉伸的響應(yīng)曲線；

G 微管可用于實時監(jiān)測指關(guān)節(jié)的彎曲程度；

H-J 微管內(nèi)壁上的雙螺旋液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)可以直接轉(zhuǎn)印到水凝膠表面。

動畫1 在柔性PDMS基底上圖案化液態(tài)金屬的過程；

動畫2 在PDMS基底上用微型磁鐵直接書寫液態(tài)金屬；

動畫 3 在柔性微管內(nèi)壁上圖案化液態(tài)金屬。

【小結(jié)】

本工作提出了一種極其簡單并且普適的液態(tài)金屬圖案化的新方法，并且展示了現(xiàn)有圖案化技術(shù)很難實現(xiàn)的應(yīng)用場景，進一步拓展了液態(tài)金屬的應(yīng)用范圍，為簡單高效地制備基于液態(tài)金屬的功能性器件提供了新的思路。

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