Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositives alhora.Utilitzeu els botons Anterior i Següent per moure's per tres diapositives alhora, o utilitzeu els botons lliscants al final per moure's per tres diapositives alhora.
Aquí demostrem les propietats d'humectació espontània i selectiva induïdes per l'imbibició dels aliatges metàl·lics líquids a base de gal·li sobre superfícies metal·litzades amb característiques topogràfiques a microescala.Els aliatges metàl·lics líquids a base de gal·li són materials sorprenents amb una tensió superficial enorme.Per tant, és difícil formar-los en pel·lícules primes.La humectació completa de l'aliatge eutèctic de gal·li i indi es va aconseguir a la superfície de coure microestructurada en presència de vapors de HCl, que van eliminar l'òxid natural de l'aliatge metàl·lic líquid.Aquesta humectació s'explica numèricament a partir del model de Wenzel i del procés d'osmosi, demostrant que la mida de la microestructura és fonamental per a la humectació eficient induïda per l'osmosi dels metalls líquids.A més, demostrem que la humectació espontània de metalls líquids es pot dirigir selectivament al llarg de regions microestructurades d'una superfície metàl·lica per crear patrons.Aquest senzill procés cobreix i dóna forma uniformes el metall líquid en grans àrees sense força externa ni manipulació complexa.Hem demostrat que els substrats amb estampats de metall líquid conserven les connexions elèctriques fins i tot quan s'estiren i després de cicles repetits d'estirament.
Els aliatges metàl·lics líquids basats en gal·li (GaLM) han cridat molta atenció a causa de les seves propietats atractives, com ara baix punt de fusió, alta conductivitat elèctrica, baixa viscositat i flux, baixa toxicitat i alta deformabilitat1,2.El gal·li pur té un punt de fusió d'uns 30 °C, i quan es fusiona en composicions eutèctiques amb alguns metalls com In i Sn, el punt de fusió està per sota de la temperatura ambient.Els dos GaLM importants són l'aliatge eutèctic de gal-indi (EGaIn, 75% Ga i 25% In en pes, punt de fusió: 15,5 °C) i l'aliatge eutèctic de gal-indi-estany (GaInSn o galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In i 10). % estany, punt de fusió: ~11 °C)1.2.A causa de la seva conductivitat elèctrica en la fase líquida, els GaLM s'estan investigant activament com a vies electròniques de tracció o deformables per a una varietat d'aplicacions, incloent sensors electrònics 3,4,5,6,7,8,9 tensats o corbats 10, 11, 12. , 13, 14 i derivacions 15, 16, 17. La fabricació d'aquests dispositius per deposició, impressió i modelatge a partir de GaLM requereix el coneixement i el control de les propietats interfacials de GaLM i el seu substrat subjacent.Els GaLM tenen una tensió superficial elevada (624 mNm-1 per a EGaIn18,19 i 534 mNm-1 per a Galinstan20,21), cosa que els pot dificultar de manejar o manipular.La formació d'una escorça dura d'òxid de gal·li natiu a la superfície de GaLM en condicions ambientals proporciona una closca que estabilitza el GaLM en una forma no esfèrica.Aquesta propietat permet imprimir, implantar GaLM en microcanals i modelar amb l'estabilitat interfacial aconseguida pels òxids19,22,23,24,25,26,27.La carcassa d'òxid dur també permet que GaLM s'adhereixi a la majoria de superfícies llises, però evita que els metalls de baixa viscositat flueixin lliurement.La propagació de GaLM a la majoria de superfícies requereix força per trencar la capa d'òxid28,29.
Les closques d'òxid es poden eliminar amb, per exemple, àcids o bases forts.En absència d'òxids, el GaLM forma gotes en gairebé totes les superfícies a causa de la seva gran tensió superficial, però hi ha excepcions: el GaLM mulla substrats metàl·lics.Ga forma enllaços metàl·lics amb altres metalls mitjançant un procés conegut com a "humectació reactiva"30,31,32.Aquesta humectació reactiva s'examina sovint en absència d'òxids superficials per facilitar el contacte metall amb metall.No obstant això, fins i tot amb òxids natius a GaLM, s'ha informat que els contactes metall a metall es formen quan els òxids es trenquen en contactes amb superfícies metàl·liques llises29.La humectació reactiva produeix angles de contacte baixos i una bona humectació de la majoria de substrats metàl·lics33,34,35.
Fins ara, s'han realitzat molts estudis sobre l'ús de les propietats favorables de la humectació reactiva de GaLM amb metalls per formar un patró de GaLM.Per exemple, el GaLM s'ha aplicat a pistes metàl·liques sòlides amb estampats per untament, rodament, polvorització o emmascarament d'ombres34, 35, 36, 37, 38. La humectació selectiva de GaLM sobre metalls durs permet que GaLM formi patrons estables i ben definits.Tanmateix, l'alta tensió superficial de GaLM dificulta la formació de pel·lícules primes molt uniformes fins i tot sobre substrats metàl·lics.Per abordar aquest problema, Lacour et al.va informar d'un mètode per produir pel·lícules primes de GaLM llises i planes sobre grans àrees mitjançant l'evaporació de gal·li pur sobre substrats microestructurats recoberts d'or37,39.Aquest mètode requereix la deposició al buit, que és molt lenta.A més, el GaLM generalment no està permès per a aquests dispositius a causa d'una possible fragilització40.L'evaporació també diposita el material al substrat, de manera que cal un patró per crear el patró.Estem buscant una manera de crear pel·lícules i patrons de GaLM suaus mitjançant el disseny de característiques metàl·liques topogràfiques que GaLM mulla de manera espontània i selectiva en absència d'òxids naturals.Aquí informem de la humectació selectiva espontània d'EGaIn lliure d'òxids (GaLM típic) mitjançant el comportament d'humectació únic sobre substrats metàl·lics estructurats fotolitogràficament.Creem estructures superficials definides fotolitogràficament a nivell micro per estudiar l'imbibició, controlant així la humectació de metalls líquids lliures d'òxid.Les millores propietats d'humectació d'EGaIn sobre superfícies metàl·liques microestructurades s'expliquen mitjançant anàlisi numèrica basada en el model de Wenzel i el procés d'impregnació.Finalment, demostrem la deposició i el modelatge d'una gran àrea d'EGaIn mitjançant l'autoabsorció, la humectació espontània i selectiva sobre superfícies de deposició de metalls microestructurats.Els elèctrodes de tracció i els extensímetres que incorporen estructures EGaIn es presenten com a aplicacions potencials.
L'absorció és un transport capil·lar en què el líquid envaeix la superfície texturada 41, la qual cosa facilita la propagació del líquid.Hem investigat el comportament de humectació d'EGaIn sobre superfícies de metall microestructurat dipositades en vapor d'HCl (Fig. 1).El coure es va triar com a metall per a la superfície subjacent. A les superfícies planes de coure, EGaIn va mostrar un angle de contacte baix de <20 ° en presència de vapor d'HCl, a causa de la humectació reactiva31 (figura suplementària 1). A les superfícies planes de coure, EGaIn va mostrar un angle de contacte baix de <20 ° en presència de vapor d'HCl, a causa de la humectació reactiva31 (figura suplementària 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутстви паростви парова-зкий HCl вания31 (дополнительный рисунок 1). A les superfícies planes de coure, EGaIn va mostrar un angle de contacte baix <20 ° en presència de vapor d'HCl a causa de la humectació reactiva31 (figura suplementària 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下显示出显示出显示出应润湿， 在存在HCl图1）.在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn在存在HCl На плоских медных поверхностях EGaIn демонстрирует низкие краевые углы <20 ° в присутстви краевые присутстви краевые присутстви На плоских мачивания (дополнительный рисунок 1). A les superfícies planes de coure, EGaIn presenta angles de contacte baixos <20 ° en presència de vapor d'HCl a causa de la humectació reactiva (figura suplementària 1).Hem mesurat els angles de contacte propers d'EGaIn en coure a granel i en pel·lícules de coure dipositades sobre polidimetilsiloxà (PDMS).
a Microestructures de columna (D (diàmetre) = l (distància) = 25 µm, d (distància entre columnes) = 50 µm, H (alçada) = 25 µm) i piramidals (amplada = 25 µm, alçada = 18 µm) sobre Cu /Sustrats PDMS.b Canvis depenent del temps en l'angle de contacte sobre substrats plans (sense microestructures) i matrius de pilars i piràmides que contenen PDMS recobert de coure.c, d Enregistrament a intervals de (c) vista lateral i (d) vista superior de la humectació d'EGaIn a la superfície amb pilars en presència de vapor d'HCl.
Per avaluar l'efecte de la topografia en la humectació, es van preparar substrats PDMS amb un patró columnar i piramidal, sobre els quals es va dipositar coure amb una capa adhesiva de titani (Fig. 1a).Es va demostrar que la superfície microestructurada del substrat PDMS estava recoberta de manera conforme amb coure (figura suplementària 2).A les Figs.1b.L'angle de contacte d'EGaIn en coure / PDMS estampat cau a 0 ° en un minut d'aproximadament.La humectació millorada de les microestructures EGaIn es pot aprofitar per l'equació de Wenzel\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ {{{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), on \({\theta}_{{aspre}}\) representa l'angle de contacte de la superfície rugosa, \ (r \) Rugositat superficial (= àrea real/àrea aparent) i angle de contacte sobre el pla \({\theta}_{0}\).Els resultats de la humectació millorada d'EGaIn a les superfícies modelades estan d'acord amb el model de Wenzel, ja que els valors de r per a les superfícies estampades posterior i piramidal són 1,78 i 1,73, respectivament.Això també vol dir que una gota EGaIn situada en una superfície estampada penetrarà a les ranures del relleu subjacent.És important tenir en compte que en aquest cas es formen pel·lícules planes molt uniformes, a diferència del cas amb EGaIn a superfícies no estructurades (figura suplementària 1).
De la fig.1c,d (pel·lícula suplementària 1) es pot veure que després de 30 s, a mesura que l'angle de contacte aparent s'acosta als 0 °, EGaIn comença a difondre's més lluny de la vora de la gota, que és causada per l'absorció (pel·lícula suplementària 2 i suplementària). Fig. 3).Estudis anteriors de superfícies planes han associat l'escala de temps de la humectació reactiva amb la transició de la humectació inercial a la viscosa.La mida del terreny és un dels factors clau per determinar si es produeix l'autoamor.Comparant l'energia de la superfície abans i després de l'imbibició des d'un punt de vista termodinàmic, es va derivar l'angle de contacte crític \({\theta}_{c}\) d'imbibició (vegeu Discussió suplementària per obtenir-ne més detalls).El resultat \({\theta}_{c}\) es defineix com \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) on \({\phi}_{s}\) representa l'àrea fraccionària a la part superior del pal i \(r\ ) representa la rugositat superficial. L'imbibició pot ocórrer quan \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), és a dir, l'angle de contacte sobre una superfície plana. L'imbibició pot ocórrer quan \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), és a dir, l'angle de contacte sobre una superfície plana. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.e.контактный угол на плоской поверхности. L'absorció pot ocórrer quan \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), és a dir, l'angle de contacte sobre una superfície plana.当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。 Всасывание происходит, когда \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактный угол на плоскости. La succió es produeix quan \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), angle de contacte sobre el pla.Per a superfícies posteriors al model, \(r\) i \({\phi}_{s}\) es calculen com a \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) i \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), on \(R\) representa el radi de la columna, \(H\) representa l'alçada de la columna i \ ( d\) és la distància entre els centres de dos pilars (Fig. 1a).Per a la superfície postestructurada de la fig.1a, l'angle \({\theta}_{c}\) és de 60°, que és més gran que el pla \({\theta}_{0}\) (~25°) en vapor d'HCl EGaIn lliure d'òxids sobre Cu/PDMS.Per tant, les gotes d'EGaIn poden envair fàcilment la superfície de deposició de coure estructurada de la figura 1a a causa de l'absorció.
Per investigar l'efecte de la mida topogràfica del patró sobre la humectació i l'absorció d'EGaIn, vam variar la mida dels pilars recoberts de coure.A la fig.La figura 2 mostra els angles de contacte i l'absorció d'EGaIn en aquests substrats.La distància l entre les columnes és igual al diàmetre de les columnes D i oscil·la entre 25 i 200 μm.L'alçada de 25 µm és constant per a totes les columnes.\({\theta}_{c}\) disminueix amb l'augment de la mida de la columna (taula 1), cosa que significa que l'absorció és menys probable en substrats amb columnes més grans.Per a totes les mides provades, \({\theta}_{c}\) és més gran que \({\theta}_{0}\) i s'espera que flueixi.No obstant això, poques vegades s'observa absorció per a superfícies posteriors al model amb l i D 200 µm (Fig. 2e).
un angle de contacte de EGaIn depenent del temps sobre una superfície de Cu/PDMS amb columnes de diferents mides després de l'exposició al vapor d'HCl.b–e Vistes superior i lateral de la humectació EGaIn.b D = l = 25 µm, r = 1,78.en D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Tots els pals tenen una alçada de 25 µm.Aquestes imatges es van prendre almenys 15 minuts després de l'exposició al vapor d'HCl.Les gotes de l'EGaIn són aigua resultant de la reacció entre l'òxid de gal·li i el vapor d'HCl.Totes les barres d'escala a (b – e) són de 2 mm.
Un altre criteri per determinar la probabilitat d'absorció de líquid és la fixació del líquid a la superfície després d'haver aplicat el patró.Kurbin et al.S'ha informat que quan (1) els pals són prou alts, les gotes seran absorbides per la superfície estampada;(2) la distància entre les columnes és més aviat petita;i (3) l'angle de contacte del líquid a la superfície és prou petit42.Numèricament \({\theta}_{0}\) del fluid en un pla que conté el mateix material de substrat ha de ser inferior a l'angle de contacte crític per a la fixació, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), per a l'absorció sense fixar entre els missatges, on \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (vegeu la discussió addicional per a més detalls).El valor de \({\theta}_{c,{pin}}\) depèn de la mida del pin (taula 1).Determineu el paràmetre adimensional L = l/H per jutjar si es produeix l'absorció.Per a l'absorció, L ha de ser inferior al llindar estàndard, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Per a EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) sobre un substrat de coure \({L}_{c}\) és 5,2.Com que la columna L de 200 μm és 8, que és més gran que el valor de \({L}_{c}\), l'absorció d'EGaIn no es produeix.Per provar encara més l'efecte de la geometria, vam observar l'autocebament de diversos H i l (figura suplementària 5 i taula suplementària 1).Els resultats coincideixen bé amb els nostres càlculs.Així, L resulta ser un predictor efectiu de l'absorció;El metall líquid deixa d'absorbir a causa de la fixació quan la distància entre els pilars és relativament gran en comparació amb l'alçada dels pilars.
La humectabilitat es pot determinar en funció de la composició superficial del substrat.Hem investigat l'efecte de la composició de la superfície sobre la humectació i l'absorció d'EGaIn mitjançant la co-dipositació de Si i Cu en pilars i plànols (figura suplementària 6).L'angle de contacte EGaIn disminueix de ~ 160 ° a ~ 80 ° a mesura que la superfície binària Si/Cu augmenta del 0 al 75% a un contingut de coure pla.Per a una superfície de 75% Cu/25% Si, \({\theta}_{0}\) és ~80°, que correspon a \({L}_{c}\) igual a 0,43 segons la definició anterior. .Com que les columnes l = H = 25 μm amb L igual a 1 més gran que el llindar \({L}_{c}\), la superfície al 75% Cu/25% Si després del modelatge no s'absorbeix a causa de la immobilització.Atès que l'angle de contacte d'EGaIn augmenta amb l'addició de Si, es requereix una H més alta o una l inferior per superar la fixació i la impregnació.Per tant, com que l'angle de contacte (és a dir, \({\theta}_{0}\)) depèn de la composició química de la superfície, també pot determinar si es produeix l'imbibició a la microestructura.
L'absorció d'EGaIn en coure/PDMS modelat pot mullar el metall líquid en patrons útils.Per avaluar el nombre mínim de línies de columna que causen l'imbibició, es van observar les propietats d'humectació d'EGaIn a Cu/PDMS amb línies post-patró que contenien diferents números de línia de columna de l'1 al 101 (Fig. 3).La humectació es produeix principalment a la regió posterior al patró.Es va observar de manera fiable la captació EGaIn i la longitud de la metxa augmentava amb el nombre de files de columnes.L'absorció gairebé mai es produeix quan hi ha pals amb dues o menys línies.Això pot ser degut a l'augment de la pressió capil·lar.Perquè l'absorció es produeixi en un patró columnar, s'ha de superar la pressió capil·lar causada per la curvatura del cap EGaIn (figura suplementària 7).Suposant un radi de curvatura de 12,5 µm per a un capçal EGaIn d'una sola fila amb un patró columnar, la pressió capil·lar és de ~ 0,98 atm (~740 Torr).Aquesta alta pressió de Laplace pot evitar la humectació causada per l'absorció d'EGaIn.A més, menys files de columnes poden reduir la força d'absorció que es deu a l'acció capil·lar entre EGaIn i columnes.
a Gotes d'EGaIn sobre Cu/PDMS estructurat amb patrons de diferents amplades (w) a l'aire (abans de l'exposició al vapor de HCl).Files de bastidors que comencen per la part superior: 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) i 11 (w = 525 µm).b La humectació direccional d'EGaIn a (a) després de l'exposició al vapor d'HCl durant 10 min.c, d Mullada d'EGaIn en Cu/PDMS amb estructures columnars (c) dues files (w = 75 µm) i (d) una fila (w = 25 µm).Aquestes imatges es van prendre 10 minuts després de l'exposició al vapor d'HCl.Les barres d'escala a (a, b) i (c, d) són de 5 mm i 200 µm, respectivament.Les fletxes de (c) indiquen la curvatura del cap EGaIn a causa de l'absorció.
L'absorció d'EGaIn en Cu/PDMS post-pattern permet que EGaIn es formi per humectació selectiva (Fig. 4).Quan es col·loca una gota d'EGaIn en una àrea modelada i s'exposa al vapor d'HCl, la gota d'EGaIn es col·lapsa primer, formant un petit angle de contacte a mesura que l'àcid elimina l'escala.Posteriorment, l'absorció comença des de la vora de la gota.Es pot aconseguir un model d'àrea gran a partir d'EGaIn a escala centímetre (Fig. 4a, c).Com que l'absorció només es produeix a la superfície topogràfica, EGaIn només mulla la zona del patró i gairebé deixa de mullar-se quan arriba a una superfície plana.En conseqüència, s'observen límits nítids dels patrons EGaIn (Fig. 4d, e).A la fig.La figura 4b mostra com EGaIn envaeix la regió no estructurada, especialment al voltant del lloc on es va col·locar originalment la gota EGaIn.Això va ser perquè el diàmetre més petit de les gotes d'EGaIn utilitzades en aquest estudi superava l'amplada de les lletres estampades.Es van col·locar gotes d'EGaIn al lloc del patró mitjançant injecció manual a través d'una agulla i una xeringa de 27-G, donant lloc a gotes amb una mida mínima d'1 mm.Aquest problema es pot resoldre utilitzant gotes EGaIn més petites.En general, la figura 4 demostra que la humectació espontània d'EGaIn es pot induir i dirigir a superfícies microestructurades.En comparació amb els treballs anteriors, aquest procés de humectació és relativament ràpid i no es requereix cap força externa per aconseguir una humectació completa (taula complementària 2).
emblema de la universitat, la lletra b, c en forma de llamp.La regió absorbent està coberta amb una matriu de columnes amb D = l = 25 µm.d, imatges ampliades de costelles en e (c).Les barres d'escala (a–c) i (d, e) són de 5 mm i 500 µm, respectivament.A (c–e), les petites gotes a la superfície després de l'adsorció es converteixen en aigua com a resultat de la reacció entre l'òxid de gal·li i el vapor de HCl.No es va observar cap efecte significatiu de la formació d'aigua sobre la humectació.L'aigua s'elimina fàcilment mitjançant un procés d'assecat senzill.
A causa de la naturalesa líquida d'EGaIn, es pot utilitzar Cu/PDMS recobert d'EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) per a elèctrodes flexibles i extensibles.La figura 5a compara els canvis de resistència de Cu/PDMS originals i EGaIn/Cu/PDMS sota diferents càrregues.La resistència de Cu/PDMS augmenta bruscament en tensió, mentre que la resistència de EGaIn/Cu/PDMS es manté baixa en tensió.A la fig.Les figures 5b i d mostren imatges SEM i dades EMF corresponents de Cu / PDMS en brut i EGaIn / Cu / PDMS abans i després de l'aplicació de tensió.Per a Cu/PDMS intacte, la deformació pot provocar esquerdes a la pel·lícula dura de Cu dipositada al PDMS a causa del desajust d'elasticitat.En canvi, per a EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn encara recobreix bé el substrat Cu/PDMS i manté la continuïtat elèctrica sense cap esquerda ni deformació significativa fins i tot després d'aplicar la tensió.Les dades de l'EDS van confirmar que el gal·li i l'indi d'EGaIn es van distribuir uniformement al substrat Cu/PDMS.Cal destacar que el gruix de la pel·lícula EGaIn és el mateix i comparable amb l'alçada dels pilars. Això també es confirma amb una anàlisi topogràfica addicional, on la diferència relativa entre el gruix de la pel·lícula EGaIn i l'alçada del pal és <10% (figura suplementària 8 i taula 3). Això també es confirma amb una anàlisi topogràfica addicional, on la diferència relativa entre el gruix de la pel·lícula EGaIn i l'alçada del pal és <10% (figura suplementària 8 i taula 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разная разнейшим топографическим анализом EGaIn и высотой столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 i таблица 3). Això també es confirma amb una anàlisi topogràfica addicional, on la diferència relativa entre el gruix de la pel·lícula EGaIn i l'alçada de la columna és <10% (figura suplementària 8 i taula 3).进一步的形貌分析也证实了这一点，其中EGaIn 薄膜厚度与柱子高度之间度之间度之间傹的幋间皹10% 8 和表3）。 <10% Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная ральная ральнейшим топографическим енки EGaIn и высотой столба составляла <10% (дополнительный рис. 8 i таблица 3). Això també es va confirmar mitjançant una anàlisi topogràfica addicional, on la diferència relativa entre el gruix de la pel·lícula EGaIn i l'alçada de la columna era <10% (figura suplementària 8 i taula 3).Aquesta humectació basada en l'imbibició permet que el gruix dels recobriments EGaIn es controli bé i es mantingui estable en grans àrees, cosa que d'altra manera és un repte a causa de la seva naturalesa líquida.Les figures 5c i e comparen la conductivitat i la resistència a la deformació del Cu/PDMS original i EGaIn/Cu/PDMS.A la demostració, el LED es va encendre quan es connectava a elèctrodes Cu/PDMS o EGaIn/Cu/PDMS sense tocar.Quan s'estira Cu/PDMS intacte, el LED s'apaga.Tanmateix, els elèctrodes EGaIn/Cu/PDMS van romandre connectats elèctricament fins i tot sota càrrega, i la llum LED només es va reduir lleugerament a causa de l'augment de la resistència de l'elèctrode.
a La resistència normalitzada canvia amb l'augment de la càrrega en Cu/PDMS i EGaIn/Cu/PDMS.b, d Imatges SEM i anàlisi d'espectroscòpia de raigs X (EDS) dispersiu d'energia abans (superior) i després (inferior) de polidiplex carregats a (b) Cu/PDMS i (d) EGaIn/Cu/metilsiloxà.c, e LEDs connectats a (c) Cu/PDMS i (e) EGaIn/Cu/PDMS abans (superior) i després (inferior) d'estirament (~ 30% d'estrès).La barra d'escala a (b) i (d) és de 50 µm.
A la fig.La figura 6a mostra la resistència d'EGaIn/Cu/PDMS en funció de la tensió del 0% al 70%.L'augment i la recuperació de la resistència és proporcional a la deformació, la qual cosa està d'acord amb la llei de Pouillet per als materials incompressibles (R/R0 = (1 + ε)2), on R és la resistència, R0 és la resistència inicial, ε és la deformació 43. Altres estudis han demostrat que quan s'estiren, les partícules sòlides en un medi líquid es poden reorganitzar i es distribueixen de manera més uniforme amb una millor cohesió, reduint així l'augment de l'arrossegament 43, 44 . En aquest treball, però, el conductor és > 99% de metall líquid en volum, ja que les pel·lícules de Cu només tenen un gruix de 100 nm. En aquest treball, però, el conductor és > 99% de metall líquid en volum, ja que les pel·lícules de Cu només tenen un gruix de 100 nm. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как состоит из 0 жидкого металла по объему, так как птленю 0 nm. Tanmateix, en aquest treball, el conductor consta de> 99% de metall líquid en volum, ja que les pel·lícules de Cu només tenen un gruix de 100 nm.然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99% 的液态（液态有有然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99%Tanmateix, en aquest treball, com que la pel·lícula de Cu només té un gruix de 100 nm, el conductor consta de més del 99% de metall líquid (en volum).Per tant, no esperem que el Cu faci una contribució significativa a les propietats electromecàniques dels conductors.
un canvi normalitzat en la resistència EGaIn/Cu/PDMS versus la tensió en el rang 0-70%.L'estrès màxim assolit abans de la fallada del PDMS va ser del 70% (figura suplementària 9).Els punts vermells són valors teòrics predits per la llei de Puet.b Prova d'estabilitat de conductivitat EGaIn/Cu/PDMS durant cicles d'estirament-estirament repetits.En la prova cíclica es va utilitzar una soca del 30%.La barra d'escala a la inserció és de 0,5 cm.L és la longitud inicial d'EGaIn/Cu/PDMS abans de l'estirament.
El factor de mesura (GF) expressa la sensibilitat del sensor i es defineix com la relació entre el canvi de resistència i el canvi de tensió45.El GF va augmentar d'1,7 amb un 10% de tensió a 2,6 amb un 70% de tensió a causa del canvi geomètric del metall.En comparació amb altres tensiometres, el valor GF EGaIn/Cu/PDMS és moderat.Com a sensor, tot i que el seu GF pot no ser especialment elevat, l'EGaIn/Cu/PDMS presenta un canvi de resistència robust en resposta a una baixa càrrega de relació senyal/soroll.Per avaluar l'estabilitat de la conductivitat d'EGaIn/Cu/PDMS, es va controlar la resistència elèctrica durant cicles d'estirament-estirament repetits amb una tensió del 30%.Com es mostra a la fig.6b, després de 4000 cicles d'estirament, el valor de resistència es va mantenir dins del 10%, cosa que pot ser degut a la formació contínua d'escala durant els cicles d'estirament repetits46.Així, es va confirmar l'estabilitat elèctrica a llarg termini d'EGaIn/Cu/PDMS com a elèctrode extensible i la fiabilitat del senyal com a extensímetre.
En aquest article, parlem de les propietats de humectació millorades de GaLM en superfícies metàl·liques microestructurades causades per la infiltració.Es va aconseguir una humectació completa espontània d'EGaIn sobre superfícies metàl·liques columnars i piramidals en presència de vapor d'HCl.Això es pot explicar numèricament basant-se en el model de Wenzel i el procés d'absorció, que mostra la mida de la post-microestructura necessària per a la humectació induïda per la metxa.La humectació espontània i selectiva d'EGaIn, guiada per una superfície metàl·lica microestructurada, permet aplicar recobriments uniformes sobre grans àrees i formar patrons de metall líquid.Els substrats de Cu/PDMS recoberts amb EGaIn conserven les connexions elèctriques fins i tot quan s'estiren i després de cicles d'estirament repetits, tal com confirmen les mesures de SEM, EDS i resistència elèctrica.A més, la resistència elèctrica de Cu/PDMS recobert amb EGaIn canvia de manera reversible i fiable en proporció a la tensió aplicada, indicant la seva aplicació potencial com a sensor de tensió.Els possibles avantatges que ofereix el principi de humectació del metall líquid causat per l'imbibició són els següents: (1) El recobriment i el modelatge de GaLM es poden aconseguir sense força externa;(2) La humectació de GaLM a la superfície de la microestructura recoberta de coure és termodinàmica.la pel·lícula GaLM resultant és estable fins i tot sota deformació;(3) canviar l'alçada de la columna recoberta de coure pot formar una pel·lícula GaLM amb un gruix controlat.A més, aquest enfocament redueix la quantitat de GaLM necessària per formar la pel·lícula, ja que els pilars ocupen part de la pel·lícula.Per exemple, quan s'introdueix una matriu de pilars amb un diàmetre de 200 μm (amb una distància entre els pilars de 25 μm), el volum de GaLM necessari per a la formació de la pel·lícula (~ 9 μm3/μm2) és comparable al volum de la pel·lícula sense pilars.(25 µm3/µm2).Tanmateix, en aquest cas, cal tenir en compte que la resistència teòrica, estimada segons la llei de Puet, també augmenta nou vegades.En general, les propietats úniques de humectació dels metalls líquids que es discuteixen en aquest article ofereixen una manera eficient de dipositar metalls líquids en una varietat de substrats per a l'electrònica extensible i altres aplicacions emergents.
Els substrats PDMS es van preparar barrejant la matriu Sylgard 184 (Dow Corning, EUA) i l'enduridor en proporcions de 10:1 i 15:1 per a proves de tracció, seguit de curació en un forn a 60 °C.El coure o el silici es van dipositar sobre hòsties de silici (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., República de Corea) i substrats PDMS amb una capa adhesiva de titani de 10 nm de gruix mitjançant un sistema de pulverització personalitzada.Les estructures columnars i piramidals es dipositen sobre un substrat PDMS mitjançant un procés fotolitogràfic d'hòsties de silici.L'amplada i l'alçada del patró piramidal són de 25 i 18 µm, respectivament.L'alçada del patró de barres es va fixar a 25 µm, 10 µm i 1 µm, i el seu diàmetre i pas variaven de 25 a 200 µm.
L'angle de contacte d'EGaIn (gal·li 75,5%/indi 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) es va mesurar mitjançant un analitzador de forma de gota (DSA100S, KRUSS, Alemanya). L'angle de contacte d'EGaIn (gal·li 75,5%/indi 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) es va mesurar mitjançant un analitzador de forma de gota (DSA100S, KRUSS, Alemanya). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с померяли с помали поюмощ тора (DSA100S, KRUSS, Германия). L'angle de vora d'EGaIn (gal·li 75,5% / indi 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) es va mesurar mitjançant un analitzador de gotetes (DSA100S, KRUSS, Alemanya). EGaIn（镓75.5%/铟24.5%，>99.99%，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形分析仪（分析仪（分析仪（分析仪（分析仪（大韩民国）的接触角使用滴形分析仪（分析仪（分析仪（DSA100（民国，大韩民国）量。 EGaIn (galli 75,5% / indi 24,5%, > 99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) es va mesurar mitjançant un analitzador de contacte (DSA100S, KRUSS, Alemanya). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) апли (DSA100S, KRUSS, Германия). L'angle de vora d'EGaIn (gal·li 75,5% / indi 24,5%, > 99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) es va mesurar mitjançant un analitzador de forma (DSA100S, KRUSS, Alemanya).Col·loqueu el substrat en una cambra de vidre de 5 cm × 5 cm × 5 cm i col·loqueu una gota de 4–5 μl d'EGaIn al substrat amb una xeringa de 0,5 mm de diàmetre.Per crear un medi de vapor d'HCl, es van col·locar 20 μL de solució d'HCl (37% en pes, Samchun Chemicals, República de Corea) al costat del substrat, que es va evaporar prou per omplir la cambra en 10 s.
La superfície es va fotografiar mitjançant SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, República de Corea).Es va utilitzar EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, República de Corea) per estudiar l'anàlisi i la distribució qualitativa elemental.La topografia superficial EGaIn/Cu/PDMS es va analitzar mitjançant un perfilòmetre òptic (The Profilm3D, Filmetrics, EUA).
Per investigar el canvi de conductivitat elèctrica durant els cicles d'estirament, les mostres amb i sense EGaIn es van subjectar a l'equip d'estirament (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) i es van connectar elèctricament a un mesurador de font Keithley 2400. Per investigar el canvi de conductivitat elèctrica durant els cicles d'estirament, les mostres amb i sense EGaIn es van subjectar a l'equip d'estirament (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) i es van connectar elèctricament a un mesurador de font Keithley 2400. Д Laя исследования изенения электропроводости врея циклов рения оразцы с eGain и и ио оо оо о eg оо я растжжения (sistema de màquines de flexió i estirament, SNM, респулика корея) и электрически подкали к изерителю источника keithley 2400. Per estudiar el canvi de conductivitat elèctrica durant els cicles d'estirament, es van muntar mostres amb i sense EGaIn en un equip d'estirament (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) i es van connectar elèctricament a un mesurador de font Keithley 2400.Per estudiar el canvi de conductivitat elèctrica durant els cicles d'estirament, es van muntar mostres amb i sense EGaIn en un dispositiu d'estirament (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, República de Corea) i es van connectar elèctricament a un Keithley 2400 SourceMeter.Mesura el canvi de resistència en el rang del 0% al 70% de la tensió de la mostra.Per a la prova d'estabilitat, el canvi de resistència es va mesurar durant 4000 cicles de tensió al 30%.
Per obtenir més informació sobre el disseny de l'estudi, consulteu el resum de l'estudi Nature enllaçat a aquest article.
Les dades que donen suport als resultats d'aquest estudi es presenten als fitxers d'informació suplementària i dades brutes.Aquest article proporciona les dades originals.
Daeneke, T. et al.Metalls líquids: bases químiques i aplicacions.Química.societat.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD Atributs, fabricació i aplicacions de partícules de metall líquid a base de gal·li. Lin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD Atributs, fabricació i aplicacions de partícules de metall líquid a base de gal·li.Lin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD Propietats, fabricació i aplicació de partícules de metall líquid a base de gal·li. Lin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD 镓基液态金属颗粒的属性、制造和应用。 Lin, Y., Genzer, J. i Dickey, MDLin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD Propietats, fabricació i aplicació de partícules de metall líquid a base de gal·li.Ciència avançada.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD i Velev, OD Cap a circuits de matèria totalment tova: prototips de dispositius quasi-líquids amb característiques de memristor. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD i Velev, OD Cap a circuits de matèria totalment tova: prototips de dispositius quasi-líquids amb característiques de memristor.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD i Velev, OD A circuits composts íntegrament de matèria tova: prototips de dispositius quasi-líquids amb característiques de memristor. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD i Velev, OD 走向全软物质电路：具有忆阻器特性的准液体设备原型。 Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD i Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD i Velev, OD Towards Circuits All Soft Matter: Prototypes of Quasi-Fluid Devices with Memristor Properties.alma mater avançada.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Interruptors de metall líquid per a electrònica respectuosa amb el medi ambient. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Interruptors de metall líquid per a electrònica respectuosa amb el medi ambient.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Interruptors de metall líquid per a electrònica respectuosa amb el medi ambient. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK 用于环境响应电子产品的液态金属开关。 Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY i Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Interruptors de metall líquid per a electrònica respectuosa amb el medi ambient.alma mater avançada.Interfície 4, 1600913 (2017).
Així, JH, Koo, HJ, Dickey, MD i Velev, OD Rectificació de corrent iònic en díodes de matèria tova amb elèctrodes de metall líquid. Així, JH, Koo, HJ, Dickey, MD i Velev, OD Rectificació de corrent iònic en díodes de matèria tova amb elèctrodes de metall líquid. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Així, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectificació de corrent iònic en díodes de material tou amb elèctrodes de metall líquid. Així, JH, Koo, HJ, Dickey, MD i Velev, OD 带液态金属电极的软物质二极管中的离子电流整流。 Així, JH, Koo, HJ, Dickey, MD i Velev, OD Так, jh, koo, hj, dickey, md & velev, od и и и и иыыяяление тока д диодах - Així, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectificació de corrent iònic en díodes de material tou amb elèctrodes de metall líquid.Capacitats ampliades.Alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabricació per a dispositius electrònics totalment tous i d'alta densitat basats en metall líquid. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabricació per a dispositius electrònics totalment tous i d'alta densitat basats en metall líquid.Kim, M.-G., Brown, DK i Brand, O. Nanofabricació per a dispositius electrònics basats en metalls líquids totalment tous i d'alta densitat.Kim, M.-G., Brown, DK, i Brand, O. Nanofabricació d'electrònica d'alta densitat i totalment suau basada en metall líquid.Comuna Nacional.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn és una capa d'electrons extensible per a electrònica interactiva i localització de TC.Alma mater.Nivell.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrafina extensible Ag–In–Ga E-skin per a bioelectrònica i interacció home-màquina. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrafina extensible Ag–In–Ga E-skin per a bioelectrònica i interacció home-màquina.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. i Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrafina extensible Ag-In-Ga E-skin per a bioelectrònica i interacció home-màquina. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrafina extensible Ag-In-Ga E-skin per a bioelectrònica i interacció home-màquina.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. i Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction.ACS
Yang, Y. et al.Nanogeneradors triboelèctrics ultra resistents i dissenyats basats en metalls líquids per a electrònica portàtil.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Desenvolupament d'estructures de microcanal per a sensors de sobreestirament basats en metalls líquids a temperatura ambient.la ciència.Informe 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.Les fibres compostes superelàstiques EGaIn poden suportar un 500% de tensió de tracció i tenen una excel·lent conductivitat elèctrica per a l'electrònica portàtil.ACS fa referència a alma mater.Interfície 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. i Bae, J. Cablejat directe de gal-indi eutèctic a un elèctrode metàl·lic per a sistemes de sensors suaus. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. i Bae, J. Cablejat directe de gal-indi eutèctic a un elèctrode metàl·lic per a sistemes de sensors suaus.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. i Bae, J. Enllaç directe d'elèctrodes eutèctics de gal·li-indi a metalls per a sistemes de detecció suaus. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. i Bae, J. 将共晶镓-铟直接连接到软传感器系统的金属电极。 Kim, S., Oh, J., Jeong, D. i Bae, J. 就共晶elèctrode metàl·lic de gal·li-indi directament connectat al sistema de sensor suau.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. i Bae, J. Enllaç directe d'elèctrodes eutèctics de galli-indi a metalls per a sistemes de sensors suaus.ACS fa referència a alma mater.Interfícies 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Elastòmers magnetoreològics farcits de metall líquid amb piezoelectricitat positiva.Comuna Nacional.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Extensometres multidimensionals molt sensibles i extensibles amb reixetes de percolació de nanofils metàl·lics anisòtrops pretessats.Nanolet.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L. Elastòmer autocuratiu universalment autònom amb alta elasticitat. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L. Elastòmer autocuratiu universalment autònom amb alta elasticitat.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L. Elastòmer autocuratiu versàtil amb alta elasticitat. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L. 具有高拉伸性的通用自主自愈弹性体。 Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. i Zhang L. Elastòmers d'alta resistència autocurables fora de línia versàtils.Comuna Nacional.11, 1–9 (2020).
Zhu X. et al.Fibres conductores metàl·liques ultradibuixades utilitzant nuclis d'aliatge metàl·lic líquid.Capacitats ampliades.Alma mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. et al.Estudi del premsat electroquímic de filferro metàl·lic líquid.ACS fa referència a alma mater.Interfície 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. et al.Sinterització induïda per evaporació de gotes de metall líquid amb bionanofibres per a una conductivitat elèctrica flexible i un accionament sensible.Comuna Nacional.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD et al.Eutèctic gal-indi (EGaIn): aliatge metàl·lic líquid utilitzat per formar estructures estables en microcanals a temperatura ambient.Capacitats ampliades.Alma mater.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Robòtica suau basada en metalls líquids: materials, dissenys i aplicacions. Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Robòtica suau basada en metalls líquids: materials, dissenys i aplicacions.Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Robòtica suau basada en metall líquid: materials, construcció i aplicacions. Wang, X., Guo, R. i Liu, J. 基于液态金属的软机器人：材料、设计和应用。 Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Robots suaus basats en metalls líquids: materials, disseny i aplicacions.Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Robots suaus basats en metall líquid: materials, construcció i aplicacions.alma mater avançada.tecnologia 4, 1800549 (2019).