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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
鎵（Ga）是一種銀藍色金屬，在29.8°C下熔化，可用于制造具有廣泛性能的合金。例如，Ga和銦(In)的比例約為3：1的合金，盡管In的熔點為~157℃，但其熔點僅為15.7℃。Ga合金在室溫下為液態，稱為Ga基液態金屬(GaLMs )，通常具有低毒性和高導電、導熱性。由于這些特性，GaLM聚合物復合材料已被考慮用于制造可拉伸設備中的電子元件，如生物醫學和生物傳感應用中使用的電子元件。
關鍵問題
GaLM的流體特性使其成為柔性電子器件中制造可拉伸導體的理想候選材料，可用于在可拉伸聚合物內部構建導電電路，但這很難實現。2、GaLm的氧化層限制了其通過噴涂等方法制備柔性電路當使用懸浮在載體流體中的GaLM液滴進行打印時，由于存在氧化層會使得液滴分離。因此，由這些液滴與氧化層形成的結構往往具有較差的導電性，并且需要破壞氧化層并將液滴重新組合在一起以形成導電路徑。3、基于液態金屬的彈性導體可靠性、穩定性和均勻性受限雖然已經通過各種方法研究了用于彈性導體的鎵基LM，然而，基于LM的導體在外部機械刺激下存在泄漏問題，這限制了其可靠性、均勻性和穩定性。
有鑒于此，韓國高級科學技術研究院Jiheong Kang等人提出了一種液體金屬顆粒網絡（LMPNet），通過將聲場應用于固態絕緣液體金屬顆粒復合材料作為彈性導體來組裝。通過以20kHz的超聲波頻率施加聲波，微滴反射聲能并脫落納米尺寸的液滴，從而將微滴連接在一起。GaLM微滴和納米滴的鏈形成了幾乎完美的電接觸，而不會與微滴或彼此融合，也不會去除氧化層。LMPNet導體滿足高導電性、高拉伸性、對各種部件的堅韌粘附性以及即使在大應變下也不易察覺的電阻變化等要求，并能夠制造多層高密度E-PCB，其中許多電子元件緊密集成，以創建高度可拉伸的皮膚電子器件。此外，可以在各種聚合物基質中（包括水凝膠、自愈彈性體和光刻膠）生成LMPNet，從而顯示其在柔性電子中的應用潛力。
作者分析了聚合物基質中LMPNet的形成過程，實現了LMPNet在大面積上以高均勻性和可靠性形成，并展示了基于LMPNet的彈性多層印刷電路板和集成可拉伸電子器件組件的示意圖。作者表明了LMP組裝形成了幾乎無缺陷的滲流路徑以及大應變下可忽略的電阻變化，證實了LMPNet具有優異的環境穩定性、熱穩定性和高循環穩定性。并通過力學測試證明了復合材料的拉伸性和韌性以及動態變形下的穩定性。作者通過排除法解析了聲場產生LMPnano機制，并通過有限元模擬證實了所假設步驟的可能性。作者制造了一系列設備證實了它們可以在動態拉伸下表現出穩定的電性能。作者成功地在超過15種具有不同化學和機械性能的不同聚合物中形成了LMPNet，證實了LMPNet合成方法的通用性
1、開發了LMP基導體的通用合成路線，克服了LM泄露問題作者報告了一種合成高導電性和機械韌性的LMP基導體的通用路線，在超過15中聚合物中均形成了LMPNet，且不存在LM泄漏問題。作者設計了LMP的長距離組裝網絡（LMPNet）和堅韌的彈性體基體，LMPNet的滲流結構和變形機制導致高導電性、突出的韌性和在大變形下（＞4000%）難以察覺的電阻變化。作為概念證明，作者制備了雙層E-PCB并組裝了集成電路，證明了其在動態拉伸下穩定的電性能。
LMPNet的形成及應用
聚合物基質中LMPNet的形成分兩步完成：首先，形成LMP–聚合物復合材料，然后誘導LMPNet形成。作者在水中使用探針超聲儀制備了微米尺寸的LMP。此后，將LMP–PU油墨印刷在PU基板上，并將印刷線在80°C下退火24小時，以完全去除殘留溶劑。作者將聲場應用于印刷LMP線以實現其活化，避免了LM的泄露。選擇水作為介質，以避免對印刷線路造成不必要的損壞或溫度升高。當施加聲場30秒時，觀察到原始微米尺寸LMP之間形成納米尺寸LMP（LMPnano），導致LMP與LMPnano的互連，即LMPNet的形成。作者證實了LMPNet可以在大面積上以高均勻性和可靠性形成，因此可以預測線路的電阻并設計一種E-PCB，其中各種電子元件，包括集成電路(IC)、芯片、電阻、晶體管和電容器，都是以堅硬的界面粘附組裝的。
圖 聚合物中液態金屬顆粒網絡的形成及其在彈性印刷電路板中的應用
LMPNet的電氣和機械性能
作者研究了取決于復合材料中LMPNet的電特性。LMPNet的電導率隨著復合材料中LM體積分數的增加而增加，最終所得電導率幾乎達到了理論有效電導率，表明LMP在聚合物基質中的組裝形成了幾乎無缺陷的滲流路徑。LMPNet大應變下表現出優異的電阻穩定性。它具有優異的環境穩定性、熱穩定性和高循環穩定性。即使在雙軸拉伸下，其電阻也會發生難以察覺的變化。力學測試結果表明，LMPnano在PU中表現為固體顆粒，對PU基體具有硬化作用，LMPnano的可逆組裝促進了額外的能量耗散機制還提高了復合材料的拉伸性和韌性。LMPNet–PU系列提供了高的界面粘附能，具有較高的表面強度。與LMPNet–PU線結合的商用微型發光二極管（mLED）在動態變形下表現出穩定的性能。LMPNet導線沒有觀察到LM泄漏，并且在透明膠帶、刮擦或拉伸導線時沒有發現電性能退化。
聲場產生LMPnano機制
作者探究了聲場產生LMPnano機制，通過排除法，作者假設了LMPNet形成的三個步驟：（1）聲能通過水介質從探頭聲波儀傳遞到復合材料；（2）聲能在LMP/聚合物/LMP界面處積累；（3）通過納米氣泡的坍塌從原始LMP生成LMPnano。并通過有限元模擬證實了聲能在LMP/聚合物/LMP界面處積累。
圖 LMPNet的電氣和機械性能
LMPNet的可加工性
為了實現E-PCB，確認了LMPNet導體的可加工性。LMPNet導體通過印刷工藝為E-PCB的制造提供了一個極好的平臺，確認了優異的可印刷性、可拉伸垂直互連存取和芯片接合工藝。作為概念證明，作者制造了雙層E-PCB并組裝了集成電路，包括mLED陣列和PPG傳感可穿戴設備。它們可以在動態拉伸下表現出穩定的電性能。此外，還制造了高度集成的皮膚電子器件，并證實了它們在雙軸拉伸下的穩定性。
圖 基于LMPNet的E-PCB
LMPNet合成適用性
作者成功地在超過15種具有不同化學和機械性能的不同聚合物中形成了LMPNet，還確認了使用具有不同熔化溫度和成分的其他LM合金形成LMPNet。無論聚合物和LM如何，所有LMPNet系統都表現出高電導率。
圖 各種聚合物中的LMPNet
總之，作者利用液態金屬-聚合物復合材料形成可拉伸的導電回路。然而GaLM仍然是一種相對昂貴的材料，其價格是鋁的約200倍，銅的66倍，但電導率僅為鋁的約1/10，銅的約1/17。因此，使用GaLM制造簡單的電子元件并不劃算。可以通過使用化學策略來改善GaLM和聚合物基質之間的相互作用，例如選擇可以結合到液態金屬表面的聚合物。此外，通過化學物質（例如磷酸）抑制表面氧化也可以增強GaLM的導電性。研究界面性質，包括液態金屬芯和氧化物表層之間的界面性質，以及GaLM和聚合物之間的界面特性，對于進一步推進該技術至關重要。本文提出的方法有助于克服用GaLM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，用于產生GaLM微滴的載體流體中的超聲處理和攪拌混合等過程往往對所產生的微滴的尺寸缺乏精確控制等。
參考文獻：
RUIRUI QIAO, et al. Connecting liquid metals with sound. Science, 2022, 378(6620): 594-595.
DOI: 10.1126/science.ade1813
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1813
WONBEOM LEE, et al. Universal assembly of liquid metal particles in polymers enables elastic printed circuit board. Science, 2022, 378(6620): 637-641.
DOI: 10.1126/science.abo6631
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo6631
