Adv. Funct. Mater.：用于液滴型浮動電極的無粘性、無腐蝕性、可導電石墨烯包覆液態金屬液滴有效制備

【引言】

液態金屬是在低溫條件下處于液態的一類材料，具有液體和金屬的性質，近期，由于其在開發如柔性電子器件、能量收集存儲裝置、生物成像、傳感器、機器人、變形系統等先進設備中具有的應用前景，受到了較大關注。常見的液態金屬包括Hg,Ga和Ga基合金，其中Ga基合金是最常見的液態金屬，主要由于其低毒性和極低的蒸氣壓，可應用于柔性電子設備中。

【成果簡介】

室溫液態金屬（室溫下液相的導電材料）是一類應用廣泛的新興材料。特別是，以鎵及其合金為代表的非毒性室溫液態金屬引起了研究人員的極大關注，可廣泛應用于在柔性電子、機器人、健康醫療、能源等領域。但由于其表面極其容易氧化，并對其他金屬的具有浸潤性和腐蝕性，很容易破壞或污染其他金屬電路，極大地限制了它的使用。

近日，深圳大學的周學昌教授開展了相關研究工作，其研究成果以“Robust Fabrication of Nonstick, Noncorrosive, Conductive Graphene-Coated Liquid Metal Droplets for Droplet-Based, Floating Electrodes”為題發表在Advanced Functional Materials上。本文提出了一種制備高導電性的石墨烯包覆液態金屬（GLM）液滴的可行方法，并闡述了其在電路中作為非黏性、非腐蝕性、可移動柔性接觸的應用。GLM液滴包括一個液相的軟核和外層為石墨烯薄片的保護層。這一結構結合眾多優異性能解決了柔性電子接觸的潤濕性和導電性的同步控制，包括非黏性、非腐蝕性，且在與Au,Cu,Ag和Ni金屬電極接觸時表現出高導電性。作為概念驗證，制得的GLM液滴作為浮動電極在電路中可移動、可變性、可循環回收電子柔性接觸中進行了演示。

【圖文導讀】

?圖1：石墨烯包覆液態金屬液滴圖像。

(a)制備石墨烯包覆液態金屬液滴的示意圖；

(b,c)制備好的GLM液滴的數字圖像和顯微圖像；

(d,e)制備好的GLM液滴的電子顯微鏡圖像。

圖2：液態金屬液滴（第3列）與GLM液滴（第1列）的黏性和腐蝕性對比。

每行都表示不同的金屬。行a)Cu,b)Au,c)Ag,d)Ni,e)Ag纖維。第2列表示金屬電極在去除GLM液滴后的情況，而第4列表示金屬電極去除傳統液態金屬液滴的情況。第5列表示在去除液態金屬（第3列）和去除剩余物（第4列），被腐蝕后電極的放大圖像。

圖3：GLM液滴再回收利用特性及相關參數。

(a) 制得的GLM液滴用NaOH水溶液和去離子水清洗后的再利用；

(b)GLM液滴的電阻值增量隨再利用次數的變化關系，R_LM和R_GLM分別為測得的液態金屬和GLM液滴的電阻值；

(c)GLM液滴的滾動角隨著再利用次數的變化情況。

圖4：GLM液滴在電路中作為可移動柔性接觸的驗證實驗。

(a)可移動電路中GLM基電子接觸器的示意圖；

(b)基于GLM的電子摩托車在Cu軌道上移動時，對電路電流的實時監控，內嵌圖表示在移動過程中LED燈發光情況；

(c)通過上下移動GLM基摩托車實現可移動電路在開/關之間切換操作。

圖5：GLM液滴作為浮動電極的應用演示。

(a)GLM基浮動電極及其在兩個不同電路中應用的示意圖。在①中，GLM液滴無需電阻器就可打開電路，然而在有電阻器的電路中，會開關傾斜到另一側（如③）,對于中間水平位置，GLM并沒有打開任何電路；

(b)GLM基浮動電極用于方向傳感器；

(c)(b)中的方向傳感器的l-t曲線，(b)和(c)中的標號與(a)中的順序對應。

【小結】

本文提出了一種制備無毒、無粘性、無腐蝕性的導電液態金屬液滴的可行的制備方法，這種液滴可以作為可再利用、可移動、可變形的柔性電路接觸器，并闡述了其在方向指示和移動監測方面的應用。這項研究的主要結果是石墨烯薄片易貼附在黏性的液態金屬表面，形成一種極潤滑的液態金屬液滴的可導電外層。該工作系統研究了石墨烯包覆液態金屬(GLM)液滴的表面性質。制備好的GLM液滴在電路中傳統的金屬表面表現出優異的非粘性和無腐蝕性。這些特性對于防止集成電路或設備被液態金屬污染或腐蝕至關重要。GLM液滴是可回收再利用的，因此可以大幅度降低液態金屬基的應用成本。另外，本文作者還開發了一系列應用。可以預見，非粘性的可導電GLM液滴將會對健康和可移動設備領域的新型傳感器和監控設備產生較大影響。

文獻鏈接：Robust Fabrication of Nonstick, Noncorrosive, Conductive Graphene-Coated Liquid Metal Droplets for Droplet-Based, Floating Electrodes（Adv. Funct. Mater.，2018，DOI：10.1002/adfm.201706277）

團隊介紹：

深圳大學化學與環境工程學院周學昌課題組，2014年成立，致力于表界面、功能材料、柔性電子和圖案化技術等方面的研究。課題組負責人周學昌，男，1982年出生，博士，副教授/特聘研究員，化學系副系主任，深圳市海外高層次人才（孔雀計劃B類），深圳大學優秀青年教師（“荔園優青”）。2005年畢業于中國科學技術大學并獲高分子化學專業學士學位（論文指導導師：張廣照教授），2005-2010年在香港中文大學化學系學習獲碩士、博士學位(微流體專業方向，導師：鄭波教授)。2010年8月至2014年1月在香港理工大學鄭子劍教授研究組從事博士后工作。2014年3月起，作為副教授受聘于深圳大學化學與環境工程學院。2017年1月起，任特聘研究員。研究興趣包括柔性電子、高分子水凝膠、圖案化技術、微流控等。

課題組網頁： http://chemlab.szu.edu.cn/chemhome/teacher.php?id=107#Home

Email: xczhou@szu.edu.cn

團隊在該領域工作匯總：

在液態金屬研究領域研究中，先后報道了高彈性高機械靈活性的液態金屬液滴Materials Horizons （2017, 4, 591-597.）、液態金屬海綿全軟導體（Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 1586-1590.）和冷凍熱轉印圖案化技術（Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 6790-6797）。

相關優質文獻推薦：

Yuzhen Chen, Zhou Liu, Deyong Zhu, Stephan Handschuh-Wang, Suqing Liang, Jinbin Yang, Tiantian Kong, Xiaohu Zhou，Yizhen Liua? and? Xuechang Zhou，Liquid metal droplets with high elasticity, mobility and mechanical robustness， Materials Horizons （2017, 4, 591-597.）

Tingjiao Zhou, Jinbin Yang, Deyong Zhu, Jieyao Zheng, Stephan Handschuh-Wang, Xiaohu Zhou, Junmin Zhang, Yizhen Liu, Zhou Liu, Chuanxin He and Xuechang Zhou，You have full text access to this OnlineOpen articleElastic Sponges: Hydrophilic Sponges for Leaf-Inspired Continuous Pumping of Liquids，Advanced Science （2017, 4, 1700028.）,

Suqing Liang, Yaoyao Li, Tingjiao Zhou, Jinbin Yang, Xiaohu Zhou, Taipeng Zhu, Junqiao Huang, Julie Zhu, Deyong Zhu, Yizhen Liu, Chuanxin He, Junmin Zhang and Xuechang Zhou, You have full text access to this OnlineOpen articleMicrofluidic Patterning of Metal Structures for Flexible Conductors by In Situ Polymer-Assisted Electroless Deposition, Advanced Science （2017, 4, 1600313.）

Y. Zhu, S. Handschuh-Wang, X. C. Zhou*, Recent Progress in Fabrication and Application of Polydimethylsiloxane Sponges, Journal of Materials Chemistry A（2017, 5, 16467-16497.）

B. Yang, T. J. Zhou, L. Y. Zhang, D. Y. Zhu, S. Handschuh-Wang, Z. Liu, T. T. Kong, Y. Z. Liu, J. M. Zhang, X. C. Zhou*, Defect-Free, High Resolution Patterning of Liquid Metals by Reversibly Sealed, Reusable Polydimethylsiloxane Microchannels for Flexible Electronic Applications, Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 6790-6797; 2017, 5, 1586-1590.）

Q. Liang, Y. Y. Li, Y. Z. Chen, J. B. Yang, T. P. Zhu, D. Y. Zhu, C. X. He, Y. Z. Liu, S. Handschub-Wang, X. C. Zhou*, Liquid Metal Sponges for Mechanically Durable, All-Soft, Electrical Conductors, Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 1586-1590.）

Z. Li, J. H. Wang, J. B. Yang, M. Y. Yang, D. Y. Zhu, X. H. Zhou, S. Handschuh-Wang, Y. Z. Liu, X. C. Zhou*, "Freezing", Morphing, and Folding of Stretchy Tough Hydrogels, Journal of Materials Chemistry B (2017, 5, 5726-5732.)

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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