液體金屬導電彈性體可大幅度拉伸和彎曲

KOREA ADVANCED INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

韓國的一個研究團隊使用聲波將聚合物外殼內的微小液態金屬液滴連接起來。這項新技術是一種制造堅韌、導電性高的電路的方法，這種電路可以彎曲和拉伸到原始尺寸的五倍。

為皮膚傳感器和植入式醫療設備制造可拉伸電子產品需要像金屬一樣導電但像橡膠一樣變形的材料。傳統金屬由于不能切割所以無法使用。為了制造彈性導體，研究人員研究了導電聚合物以及金屬和聚合物的復合材料。但這些材料在拉伸和釋放幾次后就會失去導電性。

液態金屬，即在室溫下保持液態的合金，是一種更有前途的選擇。鎵基液態金屬，通常是鎵和銦的合金，因其毒性低、導電性和導熱性高而備受關注。它們也很堅韌，因為它們的表面形成了一層氧化皮，它們能很好地粘附在各種基材上。

為了用鎵基液態金屬制作導電電路，研究人員通常會將這種材料的液滴噴灑或打印在有彈性的塑料基底上，或將其嵌入橡膠聚合物中。氧化皮通常必須被破壞，以便液滴可以結合形成導電路徑。韓國高級科學技術研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）材料科學與工程教授Jihonong Kang表示，這些方法的問題在于液態金屬會在一段時間后泄漏。

因此，他和他的同事使用聲場連接液態金屬液滴，他們首先將其嵌入聚合物中。研究人員使用平均2至3微米寬的液滴，比其他人之前使用的液滴小，以減少液滴破裂和泄漏液體金屬的機會。

當他們施加頻率為20千赫茲的超聲波時，微滴吸收振動產生納米大小的微滴。這些納米微滴在微滴之間形成了一個橋。當聚合物被拉伸時，微滴會伸長，但納米滴的連接會使它們保持連接。

其他人先前已經通過在網狀網絡或蛇形圖案中沉積超薄金屬層來制造可拉伸電路。Kang說：“通過我們的新材料，我們展示了第一塊沒有任何結構工程的彈性印刷電路板。”

該團隊用四種不同的液態金屬合金和15種不同的聚合物制成了它們的彈性導體。為了證明導體的用途，他們制作了可拉伸顯示器，其中液體金屬網絡連接了微型發光二極管[上圖]。他們還制作了一個高度可拉伸的心率監測傳感器，可以連接到志愿者的皮膚上，并使用光測量血液循環（下圖）。研究結果發表在《科學》雜志上。

澳大利亞昆士蘭大學的Ruirui Qiao和英國伯明翰大學的Shiyang Tang同期在Science發表題目為“Connecting liquid metals with sound”評論文章。

他們表示：“作者們開創的彈性電路方法有助于克服用[鎵液態金屬]聚合物復合材料制造導電電路的重大挑戰。但復合材料仍面臨許多制造挑戰。例如，很難用已知的制造技術精確控制液滴的大小。”

Kang說，他和他的同事們計劃通過尋找方法使它們彼此靠近來提高圖案的分辨率。他們還計劃進一步提高液態金屬電路的導電性。