东南大学刘宏教授课题组：液态金属图案化，一颗磁铁就搞定。

【研究背景】

兼具流动性和导电性的室温液态金属(如镓铟合金)在电子皮肤，软体机器人，可穿戴传感器以及柔性/可拉伸电子器件中展现出巨大的应用潜力。图案化液态金属是其迈向功能性器件的关键一步，也是液态金属研究领域的热点之一。液态金属较高的表面张力以及表面氧化层的存在使得很难利用传统印刷或打印的方式实现图案化，而现有的图案化技术往往涉及到繁琐耗时的操作步骤，精密模具的加工，复杂的表面改性以及昂贵的仪器设备。此外，每一种图案化技术通常为特定的或者某一类平面基底设计，这些问题不仅增加了器件制作的时间和成本，也阻碍了液态金属的广泛应用。因此，发展一种简单高效并且普适的液态金属图案化方法非常必要。   

近日，东南大学生物电子学国家重点实验室刘宏教授课题组报道了一种巧妙、简单的液态金属图案化新方法，该方法只需将少量的磁性微粒如镍粉分散到液态金属中，在磁场作用下，磁性微粒聚集在液态金属液滴内部，产生毛细作用，增强了微粒聚集体和液态金属的黏附作用。在移动磁铁的过程中，聚集的磁微粒牵引着液态金属液滴使其连续铺展在基底表面，从而实现直接图案化。此外，将微型磁铁插入到液滴内部后，可以直接在基底上“书写”液态金属。线宽的调节可以通过简单地改变磁颗粒浓度或者液滴的体积实现。该方法的另一个优点是可以在超疏液态金属的基底上如纸张（接触角大于150°）实现直接图案化，这是因为磁微粒受磁场作用聚集在液滴底部的同时，也增强了液态金属和基底的接触。由于磁场操控在空间上的灵活性，该方法不仅适用于任意平面基底，还适用于三维曲面，即使是相对封闭的空间内，比如可以在柔性微管的内壁上直接图案化液态金属。除了图案化方法的展示，该工作还展示了一系列基于该新方法制备的可穿戴传感器以及柔性/可拉伸电子器件。该成果以“A Versatile Approach for Direct Patterning of Liquid Metal Using Magnetic Field”为题在线发表于Advanced Functional Materials杂志上，刘宏教授、 赵超副教授为文章的共同通讯作者，2017级博士生马标为文章第一作者。

【图文导读】

图1 利用磁场实现液态金属图案化

A、B 利用磁场实现液态金属图案化示意图；

C在不同的平面和曲面基底上实现液态金属直接图案化。

图2 材料表征与磁响应

A 分散有镍粉的液态金属电镜和EDX表征；

B、C液态金属液滴在纸张和PDMS基底上的磁响应现象

D、E 线宽与磁颗粒浓度和液滴体积的关系。

图3 应用1：柔性电子器件的制备

A 柔性可穿戴应力传感器的制作示意图；

B、C 电阻-拉伸变化曲线以及疲劳测试曲线；

D 传感器对微小压力（20-480Pa）的实时响应曲线；

E 传感器对颈动脉脉搏的实时响应用于心率监测；

F 图案化在PDMS柔性基底上的液态金属导线用于可拉伸电子器件；

G 图案化的液态金属电极用于电致发光显示。

图4 应用2：在超疏液态金属的基底上直接图案化

A、B 纸张上的液态金属液滴在外加磁场下接触角和附着力变化对比；

C、D液态金属导线的电阻在纸张弯曲时的微小变化，以及疲劳测试曲线；

E 图案化于纸张上的NFC天线用于从手机无线获取能量。

图5 应用3：在相对封闭空间内图案化液态金属

A-E 在柔性硅胶微管内壁上（内径：800 μm）图案化螺旋形的液态金属,并作为可拉伸导线；

F 微管电阻对拉伸的响应曲线；

G 微管可用于实时监测指关节的弯曲程度；

H-J 微管内壁上的双螺旋液态金属结构可以直接转印到水凝胶表面。

动画1 在柔性PDMS基底上图案化液态金属的过程；

动画2 在PDMS基底上用微型磁铁直接书写液态金属；

动画 3 在柔性微管内壁上图案化液态金属。

【小结】

本工作提出了一种极其简单并且普适的液态金属图案化的新方法，并且展示了现有图案化技术很难实现的应用场景，进一步拓展了液态金属的应用范围，为简单高效地制备基于液态金属的功能性器件提供了新的思路。

文献链接：（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201901370）。

课题组链接：http://www.liuhong.info/

本文由东南大学生物电子学国家重点实验室刘宏教授课题组供稿，材料人编辑部编辑

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.