隨著電子科技的高速發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,柔性電子器件的需求與日俱增。柔性電子技術(shù)需要電子器件具有柔性、可拉伸性、生物相容性等諸多新特性。液體金屬(Liquid Metal, LM)完美結(jié)合了液體的形變能力與金屬的導(dǎo)電能力,而且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的生物相容性,是理想的柔性電路材料。然而,LM表面張力極大(例如鎵銦合金(其中74.5 wt% Ga和25.5 wt %In),624 mN m–1),難以加工,也難以與其它基底等材料復(fù)合,大大限制了LM在柔性電子領(lǐng)域的實際應(yīng)用。
中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員李朝旭帶領(lǐng)的仿生智能材料研究組,通過將LM在海藻酸鹽溶液中超聲處理,制備成包覆有海藻酸鹽微凝膠的LM微納液滴。在超聲的過程中海藻酸鹽不僅可以通過羧基與Ga3+配位促進粒徑的降低,而且可以螯合Ga3+形成微凝膠,從而抑制Ga3+的進一步釋放,提高了材料的生物相容性。包覆海藻酸鹽微凝膠的LM分散液不僅增加了膠體穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,還可以大幅增加其與柔性基底的親和性,可用于電子墨水。雖然微納液滴組成的電路由于氧化層外殼呈現(xiàn)絕緣狀態(tài),但是可以通過外加壓力的方法恢復(fù)其導(dǎo)電性(4.8×105 S m–1)。這種電路可應(yīng)用于可穿戴微電路、電熱驅(qū)動器和電子皮膚等領(lǐng)域(圖1)。相關(guān)成果已發(fā)表在《先進功能材料》(Adv. Funct. Mater. 2018, 28,1804197)上。
圖1. 海藻酸鹽輔助超聲制備LM納米液滴及應(yīng)用
由于LM微納液滴表面存在氧化層或者穩(wěn)定劑,以其沉積的電路需要通過外加壓力、激光、高溫等處理恢復(fù)其導(dǎo)電性,這些后處理技術(shù)不僅耗費能量,而且在應(yīng)用上存在諸多局限性。該研究組通過研究發(fā)現(xiàn),在生物質(zhì)納米纖維(Nanofibers, NFs)(例如:纖維素NFs、甲殼素NFs、蠶絲NFs等)的水分散液中超聲LM,可以得到穩(wěn)定分散的LM微納液滴。常溫常壓下干燥分散液,LM微納液滴能夠燒結(jié)成連續(xù)的液體金屬導(dǎo)電薄膜(圖2)。深入研究表明,生物基NFs可能具有三個方面的作用:第一,生物基NFs具有豐富的親水基團(例如羥基、羧基等),可以在超聲過程中與Ga3+交聯(lián),降低液態(tài)金屬的粒徑和增加液態(tài)金屬液滴的膠體穩(wěn)定性;第二,生物基NFs在蒸發(fā)過程中可以產(chǎn)生很高的毛細作用力,進而破壞LM微納液滴外面包覆的殼層;第三,增大液態(tài)金屬層對基底的粘附力,使其可以穩(wěn)定附著在玻璃、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate, PET)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-ethylene-butene-styrene block copolymer, SEBS)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)、油紙等多種材質(zhì)表面;谡舭l(fā)燒結(jié)制備的薄膜或者涂層材料具有柔性、高反射率、可伸縮導(dǎo)電性(伸長率達200%)、良好的電磁屏蔽效果、生物降解性和對濕度、光、電具有超快的刺激響應(yīng)性等特點,蒸發(fā)燒結(jié)的方法可廣泛應(yīng)用于微電路、傳感、可穿戴設(shè)備和柔性機器人等柔性電子學(xué)領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)表于近期的《自然-通訊》(Nat. Commun. 2019, 10, 3514)上。
圖2. 生物質(zhì)NFs輔助超聲制備LM微納液滴及燒結(jié)展示
上述研究獲得國家自然科學(xué)基金(Nos.21474125, 51608509)、山東省杰出青年基金(Nos. JQ201609)、山東省博士基金(ZR2016EEB25)、研究所一三五重點培育項目等的支持。
論文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201804197
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11466-5
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