華中科大蘇彬團隊Adv. Funct. Mater.：液態金屬基可拉伸磁電薄膜及其機電轉換能力

【引言】

鎵基液態金屬合（GLMAs）在室溫下具有可觀的變形性、無毒性和優異的導電性。由于多重圖案化的可行性，GLMAs被賦予了卓越的可重構性，為實現下一代可穿戴電子、瞬態器件、軟機器人、生物醫學傳感和健康監測提供了一條很有希望的途徑。盡管目前該領域取得了重大進展，但GLMA基柔性器件大多由外部電源驅動，如可充電電池或超級電容器，這意味著額外的重量、占用的空間和頻繁更換電池的問題。自1831年法拉第首次發現電磁感應現象以來，電磁感應技術是一種經典的能量轉換技術，為人類社會的能源供給服務了140余年。蘇彬教授自2018年在華中科技大學建組以來，致力于磁電材料的柔性化及其在自供能可穿戴傳感設備上的應用。前期研究的可壓縮磁電彈性體（Nano Energy, 2020, 69, 104391）主要采用可彎曲的銅絲作為導電材料。但由于其較高的楊氏模量，極大地阻礙了可拉伸應用。為了解決這一難題，使用GLMAs替代銅線是一種新的思路。

【成果簡介】

近日，在華中科技大學蘇彬教授和殷亞軍副教授團隊等人帶領下，與澳大利亞莫納什大學合作，展示了一種基于GLMAs的自供電和可拉伸的磁電薄膜，該磁電薄膜能夠在循環拉伸-釋放過程中控制電磁相互作用的距離來進行機電轉換。為了研究機電轉換機理，將等效的麥克斯韋數值模擬與實驗結果相結合，探索了不同的實驗參數。此外，利用GLMAs的多樣化編程圖案和結構設計來調整電氣性能。磁電協同設計原理將為液態金屬作為功能材料在大應變可穿戴電子產品開發中開辟一條新途徑。該成果以題為“Liquid Metal Based Stretchable Magnetoelectric Films and Their Capacity for Mechanoelectrical Conversion”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 GLMA基磁電薄膜的制造示意圖

a，b）使用設計好的帶圖案的3D打印模具倒入粘性的Ecoflex液體混合物。

c）干燥并脫模后，獲得具有圖案通道的Ecoflex薄膜基材。

d，e）分別注入液態金屬和圓形磁板，并將其放置在薄膜上指定的通道上。

f）在最終制備可拉伸的磁電薄膜之前進行Ecoflex混合物的二次封裝。

圖2液態金屬制備的磁電薄膜的形貌表征

a）38×38 mm2可拉伸磁電薄膜的光學照片。

b）Ecoflex通道（電氣部分）內液態金屬的SEM圖。

c）（b）的部分放大圖像，以便沿紅線區分兩種不同的材料，其在中顯示。

d）橫截面SEM圖顯示了液態金屬和聚合物的分布。

e）放大的液態金屬表面的SEM圖像。

f）（c）的元素分析。

圖3 GLMA基磁電薄膜的機電轉換特性

a）磁電薄膜的原始狀態和b）拉伸狀態的示意圖。

c，d）在室溫下拉伸張力為60%、拉伸速度為50mm s?1時磁電薄膜的c）開路輸出電壓（V）和d）電流（A）。綠色線和橙色線分別代表帶NdFeB磁體和不帶NdFeB磁體的薄膜。

e，f）拉伸前后液態金屬環內磁場強度的二維模擬分布（x-y平面）。

圖4 磁電薄膜的各向異性機電轉換

a）以兩種拉伸模式，垂直（綠色）和水平（紅色）模式的示意圖。

b，c）在相同的測試條件下，在兩種拉伸模式下的b）實驗輸出電壓圖和c）電壓比較的直方圖。

d）光學照片和e，f）垂直拉伸之前后磁電薄膜的二維模擬分布（x-y平面）。

g）光學照片和h，i）水平拉伸之前后磁電薄膜的二維模擬分布（x-y平面）。

圖5不同實驗參數對GLMA基磁電薄膜電性能的影響

a-g）在不同的a）GLMA環直徑、c）磁強度、d）GLMA環數或不同的f）拉伸速度和g）拉伸應變下制備的薄膜的開路輸出電壓（V）。插圖顯示了各種參數影響的示意圖。

b）薄膜拉伸狀態下的環徑-電壓的關系。

e）拉伸后磁強度/環數與輸出電壓之間的相關直方圖。

h）拉伸后拉伸速度/應變比與輸出電壓之間的相關直方圖。

圖6通過兩種結構設計提高GLMA基磁電薄膜的機電轉換性能

a-c）在相同拉伸前后，a-c）帶有2至4瓣的花狀GLMA圖案內的磁場強度分布的2D模擬分布，帶有兩個至四個花瓣，命名為花II，花III和花IV，及j-1）2、4和6串聯GLMA圖案。

d，e）在拉伸張力為60%、拉伸速度為50mm s?1的情況下，d）具有不同花瓣的花狀磁電薄膜和e）具有不同串聯圖案的磁電薄膜的開路輸出電壓（V） 。

f，g）拉伸后的d）花瓣型電壓和e）串聯電壓的相關圖。

h，i）分別為（a）-（c）和（j）-（l）的光學圖像。

圖7 GLMA基磁電薄膜作為人體活動監測的自供電電子皮膚傳感器

a）附著在人體上的自供電電子皮膚傳感器的示意圖。

b）肘部擺動過程中三個主要階段的照片。傳感器緊緊貼在志愿者身體的肘部。

d）膝蓋彎曲過程中三個主要階段的照片。 傳感器緊緊貼在志愿者身體的膝蓋上。

從c）重復擺動肘部和e）彎曲膝蓋測量自供電可伸縮傳感器的實時電壓輸出。

【小結】

綜上所述，本研究證明了一種新穎的GLMA基磁電薄膜及其機械電轉換能力。液態金屬作為導電功能材料，已成功地在柔性觸覺傳感領域實現了自供電應用。當對磁電薄膜施加外力時，由于磁通量的變化而產生輸出電壓。研究了GLMA環的直徑、磁強、GLMA環的數目、液態金屬的不同形狀、拉伸速度和應變等實驗參數，以深入了解其工作機理。作為自供電可拉伸傳感器，磁電薄膜表現出響應時間短（≈40 ms）、最小檢測拉伸應力為1950 Pa、8000次拉伸-釋放循環后的長期穩定性以及耐溫性等特點。此外，將花式和串聯GLMA模式等多種結構設計與數值模擬相結合，指導實現了各向異性特性，提高了機電轉換性能。我們相信這種GLMA基磁電傳感器的研究將有助于激發大應變的可穿戴電子技術的發展。

文獻鏈接：Liquid Metal Based Stretchable Magnetoelectric Films and Their Capacity for Mechanoelectrical Conversion（Adv. Funct. Mater.，2020，DOI: 10.1002/adfm.202003680）

本文由木文韜翻譯整理。

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