東南大學劉宏教授課題組：液態金屬圖案化，一顆磁鐵就搞定。

【研究背景】

兼具流動性和導電性的室溫液態金屬(如鎵銦合金)在電子皮膚，軟體機器人，可穿戴傳感器以及柔性/可拉伸電子器件中展現出巨大的應用潛力。圖案化液態金屬是其邁向功能性器件的關鍵一步，也是液態金屬研究領域的熱點之一。液態金屬較高的表面張力以及表面氧化層的存在使得很難利用傳統印刷或打印的方式實現圖案化，而現有的圖案化技術往往涉及到繁瑣耗時的操作步驟，精密模具的加工，復雜的表面改性以及昂貴的儀器設備。此外，每一種圖案化技術通常為特定的或者某一類平面基底設計，這些問題不僅增加了器件制作的時間和成本，也阻礙了液態金屬的廣泛應用。因此，發展一種簡單高效并且普適的液態金屬圖案化方法非常必要。???

近日，東南大學生物電子學國家重點實驗室劉宏教授課題組報道了一種巧妙、簡單的液態金屬圖案化新方法，該方法只需將少量的磁性微粒如鎳粉分散到液態金屬中，在磁場作用下，磁性微粒聚集在液態金屬液滴內部，產生毛細作用，增強了微粒聚集體和液態金屬的黏附作用。在移動磁鐵的過程中，聚集的磁微粒牽引著液態金屬液滴使其連續鋪展在基底表面，從而實現直接圖案化。此外，將微型磁鐵插入到液滴內部后，可以直接在基底上“書寫”液態金屬。線寬的調節可以通過簡單地改變磁顆粒濃度或者液滴的體積實現。該方法的另一個優點是可以在超疏液態金屬的基底上如紙張（接觸角大于150°）實現直接圖案化，這是因為磁微粒受磁場作用聚集在液滴底部的同時，也增強了液態金屬和基底的接觸。由于磁場操控在空間上的靈活性，該方法不僅適用于任意平面基底，還適用于三維曲面，即使是相對封閉的空間內，比如可以在柔性微管的內壁上直接圖案化液態金屬。除了圖案化方法的展示，該工作還展示了一系列基于該新方法制備的可穿戴傳感器以及柔性/可拉伸電子器件。該成果以“A Versatile Approach for Direct Patterning of Liquid Metal Using Magnetic Field”為題在線發表于Advanced?Functional?Materials雜志上，劉宏教授、?趙超副教授為文章的共同通訊作者，2017級博士生馬標為文章第一作者。

【圖文導讀】

圖1?利用磁場實現液態金屬圖案化

A、B?利用磁場實現液態金屬圖案化示意圖；

C在不同的平面和曲面基底上實現液態金屬直接圖案化。

圖2?材料表征與磁響應

A 分散有鎳粉的液態金屬電鏡和EDX表征；

B、C液態金屬液滴在紙張和PDMS基底上的磁響應現象

D、E?線寬與磁顆粒濃度和液滴體積的關系。

圖3?應用1：柔性電子器件的制備

A?柔性可穿戴應力傳感器的制作示意圖；

B、C?電阻-拉伸變化曲線以及疲勞測試曲線；

D?傳感器對微小壓力（20-480Pa）的實時響應曲線；

E?傳感器對頸動脈脈搏的實時響應用于心率監測；

F?圖案化在PDMS柔性基底上的液態金屬導線用于可拉伸電子器件；

G?圖案化的液態金屬電極用于電致發光顯示。

圖4?應用2：在超疏液態金屬的基底上直接圖案化

A、B?紙張上的液態金屬液滴在外加磁場下接觸角和附著力變化對比；

C、D液態金屬導線的電阻在紙張彎曲時的微小變化，以及疲勞測試曲線；

E?圖案化于紙張上的NFC天線用于從手機無線獲取能量。

圖5?應用3：在相對封閉空間內圖案化液態金屬

A-E 在柔性硅膠微管內壁上（內徑：800?μm）圖案化螺旋形的液態金屬,并作為可拉伸導線；

F?微管電阻對拉伸的響應曲線；

G?微管可用于實時監測指關節的彎曲程度；

H-J?微管內壁上的雙螺旋液態金屬結構可以直接轉印到水凝膠表面。

動畫1?在柔性PDMS基底上圖案化液態金屬的過程；

動畫2 在PDMS基底上用微型磁鐵直接書寫液態金屬；

動畫 3?在柔性微管內壁上圖案化液態金屬。

【小結】

本工作提出了一種極其簡單并且普適的液態金屬圖案化的新方法，并且展示了現有圖案化技術很難實現的應用場景，進一步拓展了液態金屬的應用范圍，為簡單高效地制備基于液態金屬的功能性器件提供了新的思路。

文獻鏈接：（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201901370）。

課題組鏈接：http://www.liuhong.info/

本文由東南大學生物電子學國家重點實驗室劉宏教授課題組供稿，材料人編輯部編輯

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