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深圳大學(xué)王奔 AFM：提高液態(tài)金屬對(duì)襯底粘附力通過(guò)直接書寫構(gòu)造柔性器件與機(jī)器人
2024-11-27  來(lái)源：高分子科技

  液態(tài)金屬具有高表面張力的特性，會(huì)使得其容易在多數(shù)表面形成球狀，難以打印連續(xù)復(fù)雜圖案，獲得高分辨率電路。此外，液態(tài)金屬具有低附著力的特性，使其難以粘附在許多常見材料（如Ecoflex和紙張）上。因此，開發(fā)出有效改善液態(tài)金屬對(duì)襯底材料粘附力弱的特性的油墨，對(duì)于液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)增材制造顯得至關(guān)重要。


  近日，深圳大學(xué)王奔在Advanced Functional Materials上發(fā)表了一篇題為“Directly Printable and Adhesive Liquid Metal Ink for Wearable Devices”的研究論文。文章提出，通過(guò)加入SiO2顆粒與液態(tài)金屬混合制備LMS油墨，可以有效改善液態(tài)金屬油墨對(duì)襯底材料的弱附著力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“雙循環(huán)”回收效果。此外，制備的油墨在儲(chǔ)存一段時(shí)間后仍可直接書寫，性能不受影響。為直觀展示LMS油墨對(duì)不同襯底材料（如紙張、玻璃、PET、PVC、PDMS、PI等）的粘附性能，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)直接書寫的方式繪制了一系列圖案。LMS油墨的“雙循環(huán)”效果體現(xiàn)在兩方面：一是液態(tài)金屬油墨本身可回收利用，二是書寫后的圖案可通過(guò)擦除回收油墨，并重新注入打印機(jī)針筒進(jìn)行重復(fù)書寫（圖1）。論文第一作者為深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院碩士研究生陳文富，通訊作者為王奔副教授。


圖1 LMS油墨通過(guò)柔性電子打印機(jī)實(shí)現(xiàn)圖案書寫和制造可穿戴器件。


  本研究通過(guò)加入SiO2顆粒與液態(tài)金屬在機(jī)械攪拌下混合制備LMS油墨，有效改善了液態(tài)金屬對(duì)襯底材料的弱粘附力。在柔性電子打印機(jī)上用LMS油墨書寫“SZU”圖案后，可通過(guò)蘸取無(wú)水乙醇擦除圖案，實(shí)現(xiàn)油墨回收。由于攪拌為物理過(guò)程，SiO2顆粒通過(guò)物理附著被液態(tài)金屬表面的氧化層包裹。加入鹽酸可溶解氧化層，從而分離SiO2顆粒與液態(tài)金屬，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的回收。通過(guò)在Ecoflex襯底上直接書寫電路圖案，LMS油墨成功構(gòu)建了可穿戴應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)、傳遞摩斯電碼求助信息以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能（圖2）。


圖2 LMS油墨的形態(tài)特性、流變學(xué)測(cè)試及柔性電子打印機(jī)的直寫效果顯示。


  將液態(tài)金屬與SiO2顆；旌虾罂芍苽涓酄LMS油墨。從圖2b可以看出，液態(tài)金屬與氧化鎵層接觸，消耗氧化鎵層。由于攪拌過(guò)程中暴露在空氣中，鎵元素與氧氣反應(yīng)，形成新的氧化鎵層。圖2c、2d、2e的SEM圖像顯示，SiO2顆粒表面光滑，而LMS油墨中的SiO2顆粒被氧化鎵覆蓋，說(shuō)明攪拌過(guò)程中氧化層的持續(xù)形成有效增強(qiáng)了液態(tài)金屬的附著力。流變學(xué)測(cè)試表明，LMS油墨的高儲(chǔ)能模量有利于打印直線并保持圖案穩(wěn)定性，剪切速率增加時(shí)，油墨附著力降低，可順利從針筒中流出。視頻1顯示，LMS油墨可實(shí)現(xiàn)直線書寫，無(wú)液滴聚集，而LM油墨則出現(xiàn)液滴聚集現(xiàn)象，證明LMS油墨適用于直接書寫，實(shí)現(xiàn)增材制造。


圖3 LMS油墨的印刷特性及圖案書寫。


  為了直觀了解LMS油墨在Ecoflex襯底上的粘附效果，示意圖顯示LMS油墨從點(diǎn)膠針筒擠出后，與Ecoflex接觸，在空氣中形成新的氧化層，增強(qiáng)附著力。通過(guò)在Ecoflex上書寫測(cè)試線，打印精度可達(dá)165.80 μm。視頻2展示了柔性電子打印機(jī)打印線條的過(guò)程。研究表明，針頭內(nèi)徑、打印速度、擠出壓力等參數(shù)影響書寫精度，調(diào)控這些參數(shù)可優(yōu)化打印效果。實(shí)驗(yàn)表明，擠壓壓力在150 ~ 160 kPa，打印速度為1 ~ 2 mm/s時(shí)效果最佳。為了展示LMS油墨在不同材料上的適用性，實(shí)驗(yàn)在紙張、玻璃、PET、PVC、PDMS、PI等基材上書寫圖案（圖3）。視頻3中可見LMS油墨在PDMS基板上寫入圓弧。值得注意的是，書寫完“SZU”后，使用無(wú)水乙醇可擦除并回收墨水，重新注入注射器進(jìn)行多次循環(huán)書寫，保持高回收率。


圖4 LMS油墨印刷電路構(gòu)建可穿戴器件表征其的電學(xué)性能。


  通過(guò)直接書寫方式將LMS油墨在Ecoflex襯底上構(gòu)造應(yīng)變傳感器，并對(duì)其傳感性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該傳感器具有穩(wěn)定的電學(xué)性能和良好的電信號(hào)響應(yīng)（圖4）。


圖5 LMS油墨印制電路制備可穿戴應(yīng)變傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體各種關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，以及通過(guò)摩斯電碼傳遞字母和數(shù)字等信息。


  將應(yīng)變傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)微小運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)莫爾斯電碼傳遞求助信息（圖5）。


圖6 LMS油墨通過(guò)書寫電路圖案用于構(gòu)建具有可拉伸的柔性器件將其用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的人機(jī)交互功能。


  作者設(shè)計(jì)電路圖案，構(gòu)造出可拉伸柔性LED器件，并將可穿戴應(yīng)變傳感器制成人體感應(yīng)手套，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手同步手勢(shì)控制與人機(jī)交互功能（圖6）。


  本研究將液態(tài)金屬油墨與低成本SiO2微顆粒（10 μm）結(jié)合，制備出具有可回收和可重寫特性的LMS油墨，有效降低了制造成本。利用該油墨進(jìn)行圖案書寫和電路設(shè)計(jì)，構(gòu)造出可穿戴應(yīng)變傳感器，可用于監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)微弱運(yùn)動(dòng)信號(hào)、通過(guò)摩斯電碼傳遞求助信息，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。


  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202411647

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