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青島能源所制備出新型納米液態金屬電子墨水和智能柔性導電器件
2019-08-27 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:仿生智能材料研究组
    

  隨著電子科技的高速發展,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)完美結合了液體的形變能力與金屬的導電能力,而且具有良好的化學穩定性和優異的生物相容性,是理想的柔性電路材料。然而,LM表面張力極大(例如镓铟合金(其中74.5 wt% Ga和25.5 wt %In),624 mN m1),難以加工,也難以與其它基底等材料複合,大大限制了LM在柔性電子領域的實際應用。

  青島能源所李朝旭研究員帶領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定性和化學穩定性,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絕緣狀態,但是可以通過外加壓力的方法恢複其導電性(4.8×105 S m–1)。這種電路可應用于可穿戴微電路、電熱驅動器和電子皮膚等領域(圖1)。相關成果已發表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2018, 28,1804197)上。

  图1. 海藻酸盐辅助超声制备LM纳米液滴及应用

  由于LM微纳液滴表面存在氧化层或者稳定剂,以其沉积的电路需要通过外加压力、激光、高温等处理恢复其导电性,这些后处理技术不仅耗费能量,而且在应用上存在诸多局限性。该研究组通过研究发现,在生物质纳米纤维(Nanofibers, NFs)(例如:纤维素NFs、甲壳素NFs、蚕丝NFs等)的水分散液中超声LM,可以得到稳定分散的LM微纳液滴。常温常压下干燥分散液,LM微纳液滴能够烧结成连续的液体金属导电薄膜(图2)。深入研究表明,生物基NFs可能具有三个方面的作用:第一,生物基NFs具有丰富的亲水基团(例如羟基、羧基等),可以在超声过程中与Ga3+交联,降低液态金属的粒径和增加液态金属液滴的胶体稳定性;第二,生物基NFs在蒸发过程中可以产生很高的毛细作用力,进而破坏LM微纳液滴外面包覆的壳层;第三,增大液态金属层对基底的粘附力,使其可以稳定附着在玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯(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)、油纸等多种材质表面。基于蒸发烧结制备的薄膜或者涂层材料具有柔性、高反射率、可伸缩导电性(伸长率达200%)、良好的电磁屏蔽效果、生物降解性和对湿度、光、电具有超快的刺激响应性等特点,蒸发烧结的方法可广泛应用于微电路、传感、可穿戴设备和柔性机器人等柔性电子学领域。相关成果发表于近期的Nature Communications(Nat. Commun. 2019, 10, 3514)上。

  上述研究获得国家自然科学基金(Nos.21474125, 51608509)、山东省杰出青年基金(Nos. JQ201609)、山东省博士基金(ZR2016EEB25)、研究所一三五重点培育项目等项目的支持。(文/图 李现凯)

  图2. 生物质NFs辅助超声制备LM微纳液滴及烧结展示

  相關鏈接:

  1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201804197

  2. https://www.nature.com/articles/s41467-019-11466-5

 
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