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自电泳液态金属微纳米马达作为智能焊料用于精准微纳焊接

焊接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料。大到航天航空、交通运输、海洋工程等,小到我们生活中方方面面都能看到焊接技术的影子。近年来,微纳加工技术得到了飞速的发展,不同的微纳加工技术相继被报道。那么是否可以在微纳尺寸实现金属的焊接?近日,哈尔滨工业大学(深圳)材料学院马星点击查看介绍课题组与合作者制备出具有自泳驱动能力的液态金属微纳米马达,并将其作为微纳米尺度的智能焊接钎料,结合液态金属的低温流动性和良好的导电性,利用其自主运动并智能趋向焊接节点的特性,实现了在微纳米尺度对纳米银线搭接节点的精准焊接


微/纳米马达(Micro/Nano-motors, MNMs)作为一种具有自主运动功能的智能化微纳米平台,成为一种变革性的新技术,被广泛应用于靶向药物递送、微创手术、生物传感、污水降解等众多领域。由于MNMs具有巨大的应用潜力,研究人员一直致力于研究一系列的合成和制备技术,获得具有不同结构和功能的MNMs。由于MNMs的应用与其制备材料特性具有紧密联系,因此大量的研究工作者致力于寻求具有特殊功能的材料,构建新型的MNMs。其中一类材料便是基于镓基合金的液态金属(Liquid Metal, LM),该金属在室温下具备良好的流动性,同时保持与普通金属相当的导电性,因此其被广泛用于印刷柔性电子领域,而在微纳米马达领域的应用相对较少。


马星课题组及其合作者利用液态金属材料制备一种新型的液态金属微纳米马达(LM-MNMs),其尺寸从数百纳米到几微米不等。这些LM-MNMs能够催化分解过氧化氢,通过自电泳机制实现自驱动,可以用于纳米银线网络搭接节点的自主焊接,降低其接触电阻。

本项工作采用超声分散的方法制备出从微米到纳米尺度的液态金属颗粒,通过离子溅射的方法,在制备的液态金属微球上喷镀Pt金属纳米层,制备出液态金属微纳米马达(LM-MNMs)。该球形LM-MNMs具有典型的Janus结构,即一半溅射Pt材料,另一半为液态金属材料,形成非对称结构。通过Pt催化分解H2O2燃料,从而获得驱动能力,实现自主运动。该纳米马达可以达到约30 μm s-1的峰值速度,而尾部不会出现任何可见气泡,与已报道的PS或SiO2材料相比,液态金属微纳米马达运动速度随着H2O2浓度增加而一直上升,并未出现速度瓶颈现象。并且在高浓度的H2O2(30 wt%)溶液环境中也未发现气泡的产生,这与已报道的气泡推动的Janus马达存在很大的区别。通过电化学测试和数值模拟分析,初步确定了LM-MNMs的驱动方式为自电泳机制。此外,还系统地研究了LM-MMNs运动速度与涂层金属类型和微纳米马达尺寸之间关系。由于LM-MNMs具有自主运动能力,可以自主接近纳米银线网络并沿其移动,并最终被“卡”在纳米银线网络搭接节点处。这种自发过程使LM-MNMs能够主动“搜索”AgNW网络中的目标焊点位置。然后通过常温酸雾处理,除去液态金属微纳米马达氧化膜,利用液态金属流动性在节点位置进行微纳米尺度的焊接,降低接触节点的电阻。该方法充分利用了液态金属的低温流动性和良好的导电性能。


这项工作为LM-MNMs在小尺度电路修复或键合方面提供了一种新的应用思路。所报道的化学驱动的LM-MNMs也可以为微纳米马达在生物医学等其他领域的应用提供新的思路和灵感。相关论文在线发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者是哈尔滨工业大学(深圳)博士研究生王勇


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Phoretic Liquid Metal Micro/Nanomotors as Intelligent Filler for Targeted Microwelding

Yong Wang, Wendi Duan, Chao Zhou, Qing Liu, Jiahui Gu, Heng Ye, Mingyu Li, Wei Wang, Xing Ma

Adv. Mater., 2019, 31, 1905067, DOI:10.1002/adma.201905067


马星博士简介


马星博士2009年本科毕业于哈尔滨工业大学焊接技术与工程系,2013年在新加坡南洋理工大学获得材料科学与工程博士学位,随后,在德国马克斯-普朗克智能系统研究所从事自驱动微纳米机器人的研究工作,并获得德国洪堡博士后基金资助。2016年7月,获得德国马普智能所2016年度杰出青年科学家奖(Günter Petzow Prize),年度仅一名。马星博士迄今共发表SCI论文80余篇,包括Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, ACS Nano,Nano Letters 等高水平国际期刊,文章被引用4000余次,H因子37。


https://www.x-mol.com/university/faculty/108877


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