ACS Nano：可3D打印可重复书写液态金属水凝胶

来源： EngineeringForLife

导读：具有机械柔韧性和可变形的电气接口对于柔性电子产品至关重要，这其中液态金属是一个非常有潜力的材料。在这篇ACS Nano报道中，来自韩国的研究人员展示了一种可重复书写的液态金属水凝胶，可通过光固化的方式成形。

近期韩国延世大学Min Koo团队发表在ACS Nano杂志上题为“Rewritable, Printable Conducting Liquid Metal Hydrogel”的文章，报导了一种具有机械柔性、可印刷、可重写电导体的液态金属水凝胶（LMH）。LMH是具有垂直相分离的EGaIn颗粒的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）在紫外光照射下凝胶化形成的。EGaIn颗粒聚集表面上的受控摩擦力可去除覆盖在表面上的PEGDA，然后破坏划痕区域中颗粒的天然氧化物层，从而形成导电电路。当LMH水合并溶胀时，可通过表面重构将书写电路轻松擦除，形成带有天然氧化物层的EGaIn颗粒。随后，再次在复位LMH上的摩擦写入来开发另一个电路，从而使系统可重写。

图1  LMH的制备过程与表征

通过控制刮擦摩擦力或改变金属圆柱体的尺寸，很容易制造出具有各种线宽的导电电路线。当表面摩擦力大于约320μN时，LMH的电阻在对数刻度上突然下降，从而产生电导率，表明宏观渗透金属液体通路导通。在施加表面摩擦力的同时，LMH的微观结构表明液态金属平滑导电线路的发展机理。

图2  LMH上摩擦烧结电路

由于水能够使LMH的表面膨胀和溶胀而引起的表面重建，很容易消除LMH上的摩擦感应电路。当将水施加到具有书面电路的LMH时，由于PEGDA的水合作用，LMH的整个表面都溶胀了，使表面上的电路消失了，并且该表面完全被含PEGDA的水覆盖。当水被干燥时，LMH被去溶胀，重建的表面具有浅灰色，类似于初始表面的颜色。显然，薄膜变得不导电。LMH在水中的溶胀程度根据以下公式进行定量：溶胀比（％）=（Ws-Wd）/ Wd×100，其中Ws和Wd是溶胀和干燥状态下LMH的重量。写入电路的电阻随溶胀率而增加，并以约4％的溶胀率突然增加。薄膜在10％的低溶胀率下变得不导电，在此之上，电阻几乎不变。

图3 LMH表面水擦除电路过程

如图4d和e所示，LMH还适用于基于LMH的光图案化的机械柔性3D电极。如图4d所示，在UV照射步骤中采用了薄膜型光掩模来交联LMH。当根据光掩模的形状和尺寸，在溶剂中去除未曝光的区域时，会获得各种带图案的LMH。此外，使用常规的UV光刻技术，可以实现机械坚固且灵活的3D电极，使其可用于可拉伸的电子应用。基于LMH的可重写2D和3D可印刷电路具有巨大潜力，可作为各种新兴电子应用（包括可穿戴天线，显示器和传感器）中的关键电子组件。

图4 基于LMH的可重复书写电路应用

论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.9b03405