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ACS Nano:可3D打印可重復書寫液態(tài)金屬水凝膠

3D打印新品
2020
03/03
13:29
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來源: EngineeringForLife

導讀:具有機械柔韌性和可變形的電氣接口對于柔性電子產品至關重要,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Min Koo團隊發(fā)表在ACS Nano雜志上題為“Rewritable, Printable Conducting Liquid Metal Hydrogel”的文章,報導了一種具有機械柔性、可印刷、可重寫電導體的液態(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,從而形成導電電路。當LMH水合并溶脹時,可通過表面重構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電電路線。當表面摩擦力大于約320μN時,LMH的電阻在對數(shù)刻度上突然下降,從而產生電導率,表明宏觀滲透金屬液體通路導通。在施加表面摩擦力的同時,LMH的微觀結構表明液態(tài)金屬平滑導電線路的發(fā)展機理。

圖2  LMH上摩擦燒結電路

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上的摩擦感應電路。當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,薄膜變得不導電。LMH在水中的溶脹程度根據以下公式進行定量: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。當根據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,可以實現(xiàn)機械堅固且靈活的3D電極,使其可用于可拉伸的電子應用。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用(包括可穿戴天線,顯示器和傳感器)中的關鍵電子組件。

圖4 基于LMH的可重復書寫電路應用

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


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