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AM内封面:液态金属,可拉伸的电极

大多数金属是固态的,这让少数在室温或接近室温下的液态金属显得与众不同、特立独行。它们同时具有金属和液体的特性,在应力作用下容易流动,导电导热性良好,还可以实现各种可变形、可拉伸、可重构的金属部件,也因此广泛应用于电极、传感器、微流控通道等,近些年更是受到生物领域的关注。

图片来源:Chem. Soc. Rev. [1]


液态金属中,汞的应用最早,从温度计、气压计到电解池、滴汞电极,然而其易挥发性和毒性,也让很多人谈汞色变。金属镓几乎无毒、粘度低、基本上没有蒸汽压、电导率较高(比盐水大一个数量级),如果你的研究方向是半导体和器件制备,相信一定和镓铟合金打过交道。尽管液态金属天生就具有可变形性能,但目前却很少用于柔性或可拉伸器件中作为微电路电极,这是因为它们的表面张力太高而难以在固态表面上铺展,从而难以进行图案化。

图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces.[1]


近日,韩国延世大学Cheolmin Park课题组在Advanced Materials 发表文章,他们发现镓铟合金(EGaIn)可以在包含具有大量羟基的脂肪族烷基链的化学交联水凝胶的表面上铺展,从而实现直接微图案化。进一步,他们探究了镓铟合金和水凝胶界面的相互作用,解释了其良好抗拉伸性能的机理。相关论文被选为内封面(Inside Front Cover)。

内封面。图片来源:Adv. Mater.


研究者采用了PHEA-co-PEGDA-80(PcP-80)水凝胶材料,该物质广泛用于隐形眼镜,最大拉伸率~1500%,并且其表面具有大量-OH基团。当镓铟合金滴到PcP-80水凝胶表面时,接触角~110°,随着时间的推移,6小时后降至~38°,而且水凝胶表面-OH越多,浸润性越好。

可拉伸的液态金属电极。图片来源:Adv. Mater.


在柔性电子学中,器件形变导致电极的电导率发生改变,甚至出现不导电的问题,一直是制约其产业化的技术难题之一。当PcP-80水凝胶基底被拉伸时,镓铟合金层会随之变形,600%的应变范围之内,电极的电阻几乎没有变化。即使形变达到1500%后,电阻也只增加了~2.3倍。1400个拉伸周期内,工作300小时后,电极电阻的变化均可以忽略不计。

电极的可拉伸特性。图片来源:Adv. Mater.


该方法制备的电极,是如何具有如此良好的抗拉伸性能呢?研究表明,镓铟合金表面会自发形成几纳米厚的Ga2O3氧化层,并和水凝胶上的-OH基团形成氢键。当水凝胶被拉伸时,-OH基团牵引镓铟合金层,使其随着基底的拉伸一起扩展,而液态金属的流动性恰巧又满足了这一过程。反之,释放应变后,镓铟合金层会随水凝胶的收缩而收缩。

镓铟合金在水凝胶上的表面调节和机理解释。图片来源:Adv. Mater.


因此,水凝胶表面的-OH基团数量越多,电极的最大抗拉伸能力就越强。如果利用盐酸处理镓铟合金,消耗其与水凝胶之间的Ga2O3氧化层后,则不再具有类似的抗拉伸性质。而XPS等测试也证实了作者推测的这个机理。通过印章法,就可以在水凝胶上印制了各种形状和大面积的微图案电极,最小分辨率~100 µm。


印制电极的应用实例。图片来源:Adv. Mater.


优异的可拉伸性能,使这种电极在柔性可穿戴、可修复的电子产品中具有潜在的应用前景。例如,在最大应变为700%的重复循环下,电路可以稳健运行;利用尖头镊子戳水凝胶变形后,电路不会断开,取消应力后还能恢复到初始状态;拉伸电极并螺旋缠绕、在水中浸泡膨胀,都不影响电极的导电性能;甚至还具有自愈的能力。

拉伸试验。图片来源:Adv. Mater.


利用镓铟合金和水凝胶制备可拉伸电极,已经被数次报道 [3,4]。有趣的是,平日“不太受待见”的氧化层却液态金属带来了新的机遇,也给界面科学带来了新的挑战。拉伸性能和导电能力兼而有之,可以使电极适应更多更复杂的机械环境,也为微电子技术向可拉伸、可穿戴产品的应用,提供了一个简单易行的关于电极制备的方案。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Autonomous Surface Reconciliation of a Liquid-Metal Conductor Micropatterned on a Deformable Hydrogel

Jung-Eun Park, Han Sol Kang, Min Koo, Cheolmin Park

Adv. Mater., 2020, 32, 2002178, DOI: 10.1002/adma.202002178


参考文献:

[1] Yan J. Lu Y. Chen G., et al. Advances in liquid metals for biomedical applications. Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 2518-2533, DOI: 10.1039/C7CS00309A

[2] Dickey M. D. Emerging Applications of Liquid Metals Featuring Surface Oxides.  ACS Appl. Mater. Interfaces,2014, 6, 18369-18379. DOI: 10.1021/am5043017

[3] Kim M. Brown D. K. & Brand O. Nanofabrication for all-soft and high-density electronic devices based on liquid metal. Nat Commun., 2020, 11, 1002. DOI: 10.1038/s41467-020-14814-y

[4] Guo H. Han Y. Zhao W., et al. Universally autonomous self-healing elastomer with high stretchability. Nat Commun., 2020, 11, 2037.  DOI: 10.1038/s41467-020-15949-8


(本文由小希供稿)


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