Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
Здесь мы демонстрируем индуцированные пропиткой, спонтанные и селективные смачивающие свойства жидкометаллических сплавов на основе галлия на металлизированных поверхностях с микромасштабными топографическими особенностями.Жидкометаллические сплавы на основе галлия — удивительные материалы с огромным поверхностным натяжением.Поэтому их трудно сформировать в тонкие пленки.Полное смачивание эвтектического сплава галлия и индия достигалось на микроструктурированной поверхности меди в присутствии паров HCl, удаляющих естественный оксид из жидкометаллического сплава.Это смачивание объяснено численно на основе модели Венцеля и процесса осмоса, показывая, что размер микроструктуры имеет решающее значение для эффективного смачивания жидких металлов, вызванного осмосом.Кроме того, мы продемонстрировали, что самопроизвольное смачивание жидких металлов можно избирательно направлять вдоль микроструктурированных областей на поверхности металла для создания узоров.Этот простой процесс равномерно покрывает и формирует жидкий металл на больших площадях без применения внешней силы или сложного обращения.Мы продемонстрировали, что подложки с рисунком из жидкого металла сохраняют электрические соединения даже при растяжении и после повторных циклов растяжения.
Жидкометаллические сплавы на основе галлия (GaLM) привлекли большое внимание благодаря своим привлекательным свойствам, таким как низкая температура плавления, высокая электропроводность, низкая вязкость и текучесть, низкая токсичность и высокая деформируемость1,2.Чистый галлий имеет температуру плавления около 30 °C, а при сплавлении в эвтектических составах с некоторыми металлами, такими как In и Sn, температура плавления оказывается ниже комнатной температуры.Двумя важными GaLM являются эвтектический сплав галлий-индий (EGaIn, 75% Ga и 25% In по массе, температура плавления: 15,5 ° C) и эвтектический сплав галлий-индий (GaInSn или галинстан, 68,5% Ga, 21,5% In и 10 % олова, температура плавления: ~11 °С)1.2.Из-за своей электропроводности в жидкой фазе GaLM активно исследуются как растягиваемые или деформируемые электронные пути для различных применений, включая электронные3,4,5,6,7,8,9 напряженные или изогнутые датчики 10, 11, 12 , 13, 14 и приводит 15, 16, 17. Изготовление таких устройств путем осаждения, печати и нанесения рисунка из GaLM требует знания и контроля межфазных свойств GaLM и лежащей в его основе подложки.GaLM имеют высокое поверхностное натяжение (624 мНм-1 для EGaIn18,19 и 534 мНм-1 для Galinstan20,21), что может затруднить обращение с ними или манипулирование ими.Образование твердой корки самородного оксида галлия на поверхности GaLM в условиях окружающей среды обеспечивает оболочку, стабилизирующую GaLM в несферической форме.Это свойство позволяет печатать GaLM, имплантировать в микроканалы и создавать узоры с межфазной стабильностью, достигаемой оксидами19,22,23,24,25,26,27.Оболочка из твердого оксида также позволяет GaLM прилипать к большинству гладких поверхностей, но предотвращает свободное растекание металлов с низкой вязкостью.Распространение GaLM на большинстве поверхностей требует силы, чтобы разрушить оксидную оболочку28,29.
Оксидные оболочки можно удалить, например, сильными кислотами или основаниями.В отсутствие оксидов GaLM образует капли практически на всех поверхностях из-за огромного поверхностного натяжения, но есть исключения: GaLM смачивает металлические подложки.Ga образует металлические связи с другими металлами посредством процесса, известного как «реактивное смачивание»30,31,32.Это реактивное смачивание часто исследуют при отсутствии поверхностных оксидов, облегчающих контакт металла с металлом.Однако сообщалось, что даже в случае самородных оксидов в GaLM контакты металл-металл образуются, когда оксиды разрушаются при контакте с гладкими металлическими поверхностями29.Реактивное смачивание приводит к низким углам смачивания и хорошему смачиванию большинства металлических подложек33,34,35.
К настоящему времени проведено множество исследований по использованию благоприятных свойств реактивного смачивания GaLM металлами для формирования рисунка GaLM.Например, GaLM наносился на узорчатые цельнометаллические дорожки путем размазывания, прокатки, распыления или теневой маскировки34, 35, 36, 37, 38. Избирательное смачивание GaLM твердых металлов позволяет GaLM формировать стабильные и четко определенные узоры.Однако высокое поверхностное натяжение GaLM препятствует образованию высокооднородных тонких пленок даже на металлических подложках.Чтобы решить эту проблему, Lacour et al.сообщили о методе производства гладких, плоских тонких пленок GaLM на больших площадях путем испарения чистого галлия на покрытые золотом микроструктурированные подложки37,39.Этот метод требует вакуумного осаждения, которое происходит очень медленно.Кроме того, использование GaLM в таких устройствах обычно не допускается из-за возможного охрупчивания40.Испарение также откладывает материал на подложке, поэтому для создания рисунка необходим рисунок.Мы ищем способ создания гладких пленок и узоров GaLM путем создания топографических металлических элементов, которые GaLM смачивает самопроизвольно и выборочно в отсутствие природных оксидов.Здесь мы сообщаем о спонтанном селективном смачивании безоксидного EGaIn (типичного GaLM) с использованием уникального поведения смачивания на металлических подложках с фотолитографической структурой.Мы создаем фотолитографически определенные поверхностные структуры на микроуровне для изучения пропитки, тем самым контролируя смачивание жидких металлов, не содержащих оксидов.Улучшенные смачивающие свойства EGaIn на микроструктурированных металлических поверхностях объяснены с помощью численного анализа на основе модели Венцеля и процесса пропитки.Наконец, мы демонстрируем осаждение большой площади и формирование рисунка EGaIn посредством самопоглощения, спонтанного и избирательного смачивания на микроструктурированных поверхностях осаждения металлов.В качестве потенциальных применений представлены электроды растяжения и тензорезисторы со структурами EGaIn.
Абсорбция представляет собой капиллярный транспорт, при котором жидкость проникает в текстурированную поверхность 41, что облегчает распространение жидкости.Мы исследовали смачивающее поведение EGaIn на металлических микроструктурированных поверхностях, осажденных в парах HCl (рис. 1).В качестве металла подстилающей поверхности была выбрана медь. На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий угол контакта <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания31 (дополнительный рисунок 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий угол контакта <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания31 (дополнительный рисунок 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20° в рамках паров HCl из-за реактивного смачивания31 (дополнительный рисунок 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий угол контакта <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания31 (дополнительный рисунок 1).EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下显示出 的低接触角31（补充图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 располагаются низкие краевые углы <20° в условиях паров HCl из-за реактивного смачивания (дополнительный рисунок 1). На плоских медных поверхностях EGaIn демонстрирует низкие углы смачивания <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания (дополнительный рисунок 1).Мы измерили близкие краевые углы EGaIn на объемной меди и на медных пленках, нанесенных на полидиметилсилоксан (ПДМС).
а Столбчатые (D (диаметр) = l (расстояние) = 25 мкм, d (расстояние между столбцами) = 50 мкм, H (высота) = 25 мкм) и пирамидальные (ширина = 25 мкм, высота = 18 мкм) микроструктуры на Cu /PDMS-субстраты.б Зависящие от времени изменения угла смачивания на плоских подложках (без микроструктур) и массивах столбиков и пирамид, содержащих ПДМС, покрытый медью.в, г. Интервальная запись вида сбоку (в) и вида сверху (г) смачивания EGaIn на поверхности столбиками в присутствии паров HCl.
Для оценки влияния топографии на смачивание были приготовлены подложки ПДМС со столбчатым и пирамидальным рисунком, на которые была нанесена медь с титановым клеевым слоем (рис. 1а).Было продемонстрировано, что микроструктурированная поверхность подложки ПДМС конформно покрыта медью (дополнительный рисунок 2).Зависящие от времени углы смачивания EGaIn на узорчатых и планарных ПДМС, напыленных медью (Cu/PDMS), показаны на рис.1б.Контактный угол EGaIn на узорчатой ​​меди/ПДМС падает до 0° в течение ~1 мин.Улучшенное смачивание микроструктур EGaIn можно использовать с помощью уравнения Венцеля\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{грубый}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), где \({\theta}_{{грубый}}\) представляет собой угол контакта шероховатой поверхности, \ (r \) Шероховатость поверхности (= фактическая площадь/кажущаяся площадь) и угол контакта на плоскости \({\theta}_{0}\).Результаты усиленного смачивания EGaIn узорчатых поверхностей хорошо согласуются с моделью Венцеля, поскольку значения r для тыльной и пирамидальной узорчатых поверхностей составляют 1,78 и 1,73 соответственно.Это также означает, что капля EGaIn, расположенная на узорчатой ​​поверхности, проникнет в бороздки подстилающего рельефа.Важно отметить, что в этом случае образуются очень однородные плоские пленки, в отличие от случая с EGaIn на неструктурированных поверхностях (дополнительный рис. 1).
Из рис.1c,d (дополнительный фильм 1), видно, что через 30 с, когда видимый угол контакта приближается к 0 °, EGaIn начинает диффундировать дальше от края капли, что вызвано поглощением (дополнительный фильм 2 и дополнительный фильм). рис. 3).Предыдущие исследования плоских поверхностей связали временной масштаб реактивного смачивания с переходом от инерционного к вязкому смачиванию.Размер местности является одним из ключевых факторов, определяющих, произойдет ли самовсасывание.Сравнивая поверхностную энергию до и после пропитки с термодинамической точки зрения, был получен критический контактный угол \({\theta}_{c}\) пропитки (подробности см. в дополнительном обсуждении).Результат \({\theta}_{c}\) определяется как \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\), где \({\phi}_{s}\) представляет собой дробную площадь в верхней части стойки, а \(r\ ) представляет собой шероховатость поверхности. Пропитка может произойти, когда \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), т. е. угол контакта на плоской поверхности. Пропитка может произойти, когда \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), т. е. угол контакта на плоской поверхности. Впитывание может начаться, когда \ ({\theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. Поглощение может произойти, когда \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), т.е. угол контакта на плоской поверхности.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. Всасывание происходит, когда \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), угол контакта на плоскости.Для поверхностей с пост-узором \(r\) и \({\phi}_{s}\) рассчитываются как \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) и \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), где \(R\) представляет радиус столбца, \(H\) представляет высоту столбца, а \ ( d\) — расстояние между центрами двух столбов (рис. 1а).Для постструктурированной поверхности на рис.1а угол \({\theta}_{c}\) равен 60°, что больше плоскости \({\theta}_{0}\) (~25° ) в парах HCl Безоксидный EGaIn на Cu/ПДМС.Следовательно, капли EGaIn могут легко проникнуть в структурированную поверхность осаждения меди на рис. 1а за счет поглощения.
Чтобы исследовать влияние топографического размера рисунка на смачивание и поглощение EGaIn, мы варьировали размер покрытых медью столбиков.На рис.2 показаны углы смачивания и поглощение EGaIn на этих подложках.Расстояние l между колонками равно диаметру колонок D и составляет от 25 до 200 мкм.Высота 25 мкм постоянна для всех колонок.\({\theta}_{c}\) уменьшается с увеличением размера колонки (таблица 1), что означает, что поглощение менее вероятно на подложках с более крупными колонками.Для всех протестированных размеров \({\theta}_{c}\) больше, чем \({\theta}_{0}\), и ожидается впитывание влаги.Однако на постструктурированных поверхностях с l и D 200 мкм поглощение наблюдается редко (рис. 2д).
Зависящий от времени угол смачивания EGaIn на поверхности Cu/PDMS со столбцами разного размера после воздействия паров HCl.б–д Вид смачивания EGaIn сверху и сбоку.б D = l = 25 мкм, r = 1,78.в D = l = 50 мкм, r = 1,39.dD = l = 100 мкм, r = 1,20.eD = l = 200 мкм, r = 1,10.Все посты имеют высоту 25 мкм.Эти изображения были сделаны как минимум через 15 минут после воздействия паров HCl.Капли на EGaIn представляют собой воду, образующуюся в результате реакции оксида галлия с парами HCl.Все масштабные линейки в (b – e) имеют размер 2 мм.
Еще одним критерием определения вероятности впитывания жидкости является фиксация жидкости на поверхности после нанесения рисунка.Курбин и др.Сообщалось, что когда (1) стойки достаточно высокие, капли будут поглощаться поверхностью с рисунком;(2) расстояние между колоннами довольно маленькое;и (3) угол контакта жидкости с поверхностью достаточно мал42.Численно \({\theta}_{0}\) жидкости на плоскости, содержащей тот же материал подложки, должно быть меньше критического угла контакта для закрепления, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), для поглощения без закрепления между столбиками, где \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (подробности см. в дополнительном обсуждении).Значение \({\theta}_{c,{pin}}\) зависит от размера вывода (таблица 1).Определите безразмерный параметр L = l/H, чтобы судить о том, происходит ли поглощение.Для поглощения L должно быть меньше порогового стандарта, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } {\ theta}_{{0}}\large\}\).Для EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) на медной подложке \({L}_{c}\) составляет 5,2.Поскольку столбец L 200 мкм равен 8, что больше значения \({L}_{c}\), поглощения EGaIn не происходит.Чтобы дополнительно проверить влияние геометрии, мы наблюдали самовсасывание различных H и l (дополнительный рисунок 5 и дополнительная таблица 1).Результаты хорошо согласуются с нашими расчетами.Таким образом, L оказывается эффективным предиктором поглощения;жидкий металл перестает впитывать из-за штифтов, когда расстояние между столбами относительно велико по сравнению с высотой столбов.
Смачиваемость можно определить на основе состава поверхности подложки.Мы исследовали влияние состава поверхности на смачивание и поглощение EGaIn путем совместного осаждения Si и Cu на столбики и плоскости (дополнительный рисунок 6).Контактный угол EGaIn уменьшается с ~160° до ~80° по мере увеличения бинарной поверхности Si/Cu от 0 до 75% при ровном содержании меди.Для поверхности 75% Cu/25% Si \({\theta}_{0}\) составляет ~80°, что соответствует \({L}_{c}\), равному 0,43 согласно приведенному выше определению. .Поскольку столбцы l = H = 25 мкм с L, равным 1, превышают порог \({L}_{c}\), поверхность 75% Cu/25% Si после нанесения рисунка не поглощает из-за иммобилизации.Поскольку контактный угол EGaIn увеличивается с добавлением Si, требуется более высокое значение H или меньшее значение l для преодоления закрепления и пропитки.Следовательно, поскольку контактный угол (т.е. \({\theta}_{0}\)) зависит от химического состава поверхности, он также может определять, происходит ли пропитка в микроструктуре.
Абсорбция EGaIn на меди/ПДМС с узором может смачивать жидкий металл, образуя полезные узоры.Чтобы оценить минимальное количество линий столбца, вызывающих пропитку, смачивающие свойства EGaIn наблюдали на Cu/PDMS с линиями после шаблона, содержащими разные номера строк столбца от 1 до 101 (рис. 3).Смачивание в основном происходит в области после нанесения рисунка.Надежно наблюдалось впитывание EGaIn, причем длина впитывания увеличивалась с увеличением количества рядов столбцов.Поглощение практически никогда не происходит при наличии постов с двумя и менее строками.Это может быть связано с повышенным капиллярным давлением.Чтобы поглощение происходило в столбчатой ​​форме, необходимо преодолеть капиллярное давление, вызванное кривизной головки EGaIn (дополнительный рисунок 7).Приняв радиус кривизны 12,5 мкм для однорядной головки EGaIn со столбчатой ​​структурой, капиллярное давление составит ~0,98 атм (~740 Торр).Такое высокое давление Лапласа может предотвратить смачивание, вызванное поглощением EGaIn.Кроме того, меньшее количество рядов колонок может уменьшить силу поглощения, возникающую из-за капиллярного действия между EGaIn и колонками.
а Капли EGaIn на структурированном Cu/PDMS с узорами разной ширины (w) на воздухе (до воздействия паров HCl).Ряды стоек, начиная сверху: 101 (w = 5025 мкм), 51 (w = 2525 мкм), 21 (w = 1025 мкм) и 11 (w = 525 мкм).б Направленное смачивание EGaIn на (а) после воздействия паров HCl в течение 10 мин.в, г Смачивание EGaIn на Cu/PDMS со столбчатыми структурами (в) – два ряда (w = 75 мкм) и (г) – один ряд (w = 25 мкм).Эти изображения были сделаны через 10 минут после воздействия паров HCl.Масштабные линейки на (а, б) и (в, г) составляют 5 мм и 200 мкм соответственно.Стрелки на (в) указывают на искривление головки EGaIn из-за поглощения.
Поглощение EGaIn в Cu/PDMS с постструктурным рисунком позволяет образовывать EGaIn путем селективного смачивания (рис. 4).Когда капля EGaIn помещается на участок с рисунком и подвергается воздействию паров HCl, капля EGaIn сначала сжимается, образуя небольшой контактный угол, поскольку кислота удаляет накипь.В дальнейшем поглощение начинается с края капли.Формирование рисунка большой площади можно получить из EGaIn сантиметрового масштаба (рис. 4а, в).Поскольку поглощение происходит только на топографической поверхности, EGaIn смачивает только область рисунка и практически перестает смачиваться при достижении плоской поверхности.В результате наблюдаются резкие границы картин EGaIn (рис. 4г, д).На рис.4б показано, как EGaIn проникает в неструктурированную область, особенно вокруг того места, где изначально была размещена капля EGaIn.Это произошло потому, что наименьший диаметр капель EGaIn, использованных в этом исследовании, превышал ширину узорчатых букв.Капли EGaIn помещали на участок рисунка путем ручной инъекции через иглу 27-G и шприц, в результате чего получали капли минимального размера 1 мм.Эту проблему можно решить, используя капли EGaIn меньшего размера.В целом, рисунок 4 демонстрирует, что самопроизвольное смачивание EGaIn может быть вызвано и направлено на микроструктурированные поверхности.По сравнению с предыдущей работой, этот процесс смачивания происходит относительно быстро, и для достижения полного смачивания не требуется никакой внешней силы (дополнительная таблица 2).
эмблема университета, буквы б, в в виде молнии.Поглощающая область покрыта массивом колонок D = l = 25 мкм.г — увеличенные изображения ребер д (в).Масштабные линейки на (a–c) и (d, e) составляют 5 мм и 500 мкм соответственно.На (в–д) мелкие капли на поверхности после адсорбции превращаются в воду в результате реакции оксида галлия с парами HCl.Существенного влияния образования воды на смачивание не наблюдалось.Вода легко удаляется посредством простого процесса сушки.
Благодаря жидкой природе EGaIn, Cu/PDMS с покрытием EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) можно использовать для изготовления гибких и растягивающихся электродов.На рисунке 5а сравниваются изменения сопротивления исходных Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS при различных нагрузках.Сопротивление Cu/PDMS резко возрастает при растяжении, тогда как сопротивление EGaIn/Cu/PDMS остается низким при растяжении.На рис.5b и d показаны изображения СЭМ и соответствующие данные ЭДС необработанных Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS до и после приложения напряжения.Для неповрежденного Cu/PDMS деформация может вызвать трещины в твердой пленке Cu, нанесенной на PDMS, из-за несоответствия эластичности.Напротив, в случае EGaIn/Cu/PDMS EGaIn по-прежнему хорошо покрывает подложку Cu/PDMS и сохраняет электрическую непрерывность без каких-либо трещин или значительной деформации даже после приложения напряжения.Данные ЭДС подтвердили, что галлий и индий из EGaIn равномерно распределены на подложке Cu/PDMS.Примечательно, что толщина пленки EGaIn одинакова и сравнима с высотой столбиков. Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки EGaIn и высотой штифта составляет <10% (дополнительный рисунок 8 и таблица 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки EGaIn и высотой штифта составляет <10% (дополнительный рисунок 8 и таблица 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки EGaIn и высотой столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки EGaIn и высотой столбца составляет <10% (дополнительный рисунок 8 и таблица 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的相对差异<10%（补充徛8: 3). <10% Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки EGaIn и высотой столба <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки EGaIn и высотой столбца составляла <10% (дополнительный рисунок 8 и таблица 3).Такое смачивание на основе пропитки позволяет хорошо контролировать толщину покрытий EGaIn и сохранять стабильность на больших площадях, что в противном случае является сложной задачей из-за его жидкой природы.На рисунках 5в и д сравниваются проводимость и устойчивость к деформации исходных Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS.В демонстрации светодиод включался при подключении к нетронутым электродам Cu/PDMS или EGaIn/Cu/PDMS.Когда неповрежденный Cu/PDMS растягивается, светодиод гаснет.Однако электроды EGaIn/Cu/PDMS оставались электрически связанными даже под нагрузкой, а свет светодиода лишь слегка тускнел из-за повышенного сопротивления электродов.
а Нормированное сопротивление изменяется с увеличением нагрузки на Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS.б, г СЭМ-изображения и анализ энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) до (вверху) и после (внизу) полидиплексов, загруженных в (б) Cu/PDMS и (d) EGaIn/Cu/метилсилоксан.в, д светодиоды, прикрепленные к Cu/PDMS (в) и EGaIn/Cu/PDMS (д) до (вверху) и после (внизу) растяжения (напряжение ~30%).Масштабная линейка на (b) и (d) составляет 50 мкм.
На рис.6а показано сопротивление EGaIn/Cu/PDMS в зависимости от деформации от 0% до 70%.Увеличение и восстановление сопротивления пропорционально деформации, что хорошо согласуется с законом Пуйе для несжимаемых материалов (R/R0 = (1 + ε)2), где R – сопротивление, R0 – начальное сопротивление, ε – деформация 43. Другие исследования показали, что при растяжении твердые частицы в жидкой среде могут перестраиваться и распределяться более равномерно с лучшей сцепленностью, тем самым уменьшая увеличение сопротивления 43, 44 . Однако в этой работе проводник на >99% состоит из жидкого металла, поскольку толщина пленок Cu составляет всего 100 нм. Однако в этой работе проводник на >99% состоит из жидкого металла, поскольку толщина пленок Cu составляет всего 100 нм. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как толщина пленки Cu составляет всего 100 нм. Однако в этой работе проводник состоит >99% по объему из жидкого металла, поскольку толщина пленок Cu составляет всего 100 нм.Cu, 100 нм, 99%然而, 在这项工作中, 由于Cu 薄膜只有100 нм 厚, 因此导体是>99%Однако в этой работе, поскольку толщина пленки Cu составляет всего 100 нм, проводник более чем на 99% состоит из жидкого металла (по объему).Поэтому мы не ожидаем, что Cu внесет существенный вклад в электромеханические свойства проводников.
Нормализованное изменение сопротивления EGaIn/Cu/PDMS в зависимости от деформации в диапазоне 0–70%.Максимальное напряжение, достигнутое до отказа PDMS, составляло 70% (дополнительный рисунок 9).Красные точки — это теоретические значения, предсказанные законом Пуэта.b Испытание стабильности проводимости EGaIn/Cu/PDMS во время повторяющихся циклов растяжения.В циклическом тесте использовали 30% штамм.Масштабная линейка на вставке равна 0,5 см.L — исходная длина EGaIn/Cu/PDMS перед растяжением.
Коэффициент измерения (GF) выражает чувствительность датчика и определяется как отношение изменения сопротивления к изменению деформации45.GF увеличился с 1,7 при деформации 10% до 2,6 при деформации 70% из-за геометрического изменения металла.По сравнению с другими тензорезисторами значение GF EGaIn/Cu/PDMS является умеренным.В качестве датчика, хотя его GF может быть не особенно высоким, EGaIn/Cu/PDMS демонстрирует сильное изменение сопротивления в ответ на нагрузку с низким соотношением сигнал/шум.Чтобы оценить стабильность проводимости EGaIn/Cu/PDMS, электрическое сопротивление контролировали во время повторяющихся циклов растяжения при деформации 30%.Как показано на рис.6б, после 4000 циклов растяжения значение сопротивления оставалось в пределах 10%, что может быть связано с непрерывным образованием окалины при повторных циклах растяжения46.Таким образом, подтверждена долговременная электрическая стабильность EGaIn/Cu/PDMS как растяжимого электрода и надежность сигнала как тензодатчика.
В этой статье мы обсуждаем улучшение смачивающих свойств GaLM на микроструктурированных металлических поверхностях, вызванное инфильтрацией.Самопроизвольное полное смачивание EGaIn достигалось на столбчатых и пирамидальных металлических поверхностях в присутствии паров HCl.Это можно объяснить численно на основе модели Венцеля и процесса впитывания, который показывает размер постмикроструктуры, необходимой для смачивания, вызванного впитыванием.Самопроизвольное и избирательное смачивание EGaIn, направляемое микроструктурированной поверхностью металла, позволяет наносить равномерные покрытия на большие площади и формировать жидкометаллические узоры.Подложки Cu/PDMS с покрытием EGaIn сохраняют электрические соединения даже при растяжении и после повторных циклов растяжения, что подтверждено методами SEM, EDS и измерениями электрического сопротивления.Кроме того, электрическое сопротивление Cu/PDMS, покрытого EGaIn, изменяется обратимо и надежно пропорционально приложенной деформации, что указывает на его потенциальное применение в качестве тензодатчика.Возможные преимущества, обеспечиваемые принципом смачивания жидким металлом, вызванным пропиткой, заключаются в следующем: (1) покрытие GaLM и формирование рисунка могут быть достигнуты без внешней силы;(2) Смачивание GaLM на поверхности микроструктуры с медным покрытием является термодинамическим.полученная пленка GaLM стабильна даже при деформации;(3) изменение высоты столбца с медным покрытием может привести к образованию пленки GaLM контролируемой толщины.Кроме того, этот подход уменьшает количество GaLM, необходимое для формирования пленки, поскольку столбики занимают часть пленки.Например, при введении массива столбиков диаметром 200 мкм (с расстоянием между столбиками 25 мкм) объем GaLM, необходимый для формирования пленки (~9 мкм3/мкм2), сопоставим с объемом пленки без учета столбы.(25 мкм3/мкм2).Однако в этом случае необходимо учитывать, что теоретическое сопротивление, оцененное по закону Пуэта, также увеличивается в девять раз.В целом, уникальные смачивающие свойства жидких металлов, обсуждаемые в этой статье, предлагают эффективный способ нанесения жидких металлов на различные подложки для растяжимой электроники и других новых приложений.
Подложки из ПДМС были приготовлены путем смешивания матрицы Sylgard 184 (Dow Corning, США) и отвердителя в соотношениях 10:1 и 15:1 для испытаний на растяжение с последующим отверждением в печи при 60°С.Медь или кремний наносились на кремниевые пластины (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Республика Корея) и подложки из PDMS с титановым адгезионным слоем толщиной 10 нм с использованием специальной системы напыления.Столбчатые и пирамидальные структуры наносятся на подложку из ПДМС с использованием фотолитографического процесса на кремниевых пластинах.Ширина и высота пирамидального рисунка составляют 25 и 18 мкм соответственно.Высота стержневого рисунка фиксировалась на уровне 25, 10 и 1 мкм, а его диаметр и шаг варьировались от 25 до 200 мкм.
Контактный угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощью анализатора формы капли (DSA100S, KRUSS, Германия). Контактный угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощью анализатора формы капли (DSA100S, KRUSS, Германия). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощью каплевидного анализатора (DSA100S, KRUSS, Германия). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощью каплеанализатора (DSA100S, KRUSS, Германия). EGaIn（75,5%/24,5%，>99,99%，Sigma，大韩民国）的接触角使用滴形分析仪（DSA100S, KRUSS，德国）测量。 EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Германия) измеряли с использованием контактного анализатора (DSA100S, KRUSS, Германия). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) Исследования с помощью анализатора форм капель (DSA100S, KRUSS, Германия). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощью анализатора формы колпачка (DSA100S, KRUSS, Германия).Поместите подложку в стеклянную камеру размером 5 см × 5 см × 5 см и поместите каплю EGaIn объемом 4–5 мкл на подложку с помощью шприца диаметром 0,5 мм.Для создания паровой среды HCl рядом с подложкой помещали 20 мкл раствора HCl (37 мас.%, Samchun Chemicals, Республика Корея), который испарялся настолько, чтобы заполнить камеру за 10 с.
Изображение поверхности было получено с помощью SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Республика Корея).ЭДС (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Республика Корея) использовали для изучения качественного анализа и распределения элементов.Топографию поверхности EGaIn/Cu/PDMS анализировали с помощью оптического профилометра (The Profilm3D, Filmetrics, США).
Для исследования изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без него закрепляли на оборудовании для растяжения (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) и электрически подключали к измерительному прибору Keithley 2400. Для исследования изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без него закрепляли на оборудовании для растяжения (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) и электрически подключали к измерительному прибору Keithley 2400. Для исследования электропроводности во время циклов поставок элементы с EGaIn и без него были закреплены на оборудовании для поставок (система гибочных и растягивающихся машин, SnM, Республика Корея) и электрически подключались к измерителю источника Keithley 2400. Для изучения изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без него устанавливали на оборудование для растяжения (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) и электрически подключали к источнику-измерителю Keithley 2400.Для изучения изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без него устанавливали на устройство для растяжения (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Республика Корея) и электрически подключали к прибору Keithley 2400 SourceMeter.Измеряет изменение сопротивления в диапазоне от 0% до 70% деформации образца.Для испытания на стабильность изменение сопротивления измеряли в течение 4000 циклов 30% деформации.
Для получения дополнительной информации о дизайне исследования см. аннотацию исследования Nature, связанную с этой статьей.
Данные, подтверждающие результаты этого исследования, представлены в файлах дополнительной информации и исходных данных.В этой статье приведены исходные данные.
Даенеке Т. и др.Жидкие металлы: химическая основа и применение.Химический.общество.47, 4073–4111 (2018).
Лин, Ю., Гензер, Дж. и Дики, доктор медицинских наук. Свойства, изготовление и применение частиц жидкого металла на основе галлия. Лин, Ю., Гензер, Дж. и Дики, доктор медицинских наук. Свойства, изготовление и применение частиц жидкого металла на основе галлия.Лин, Ю., Гензер, Дж. и Дики, доктор медицинских наук. Свойства, изготовление и применение частиц жидкого металла на основе галлия. Лин Ю., Гензер Дж. и Дики, доктор медицинских наук. Лин Ю., Гензер Дж. и Дикки, доктор медицинских наукЛин, Ю., Гензер, Дж. и Дики, доктор медицинских наук. Свойства, изготовление и применение частиц жидкого металла на основе галлия.Передовая наука.7, 2000–192 (2020).
Ку, Х.Дж., Со, Дж.Х., Дики, М.Д. и Велев, О.Д. На пути к контурам из мягкой материи: прототипы квазижидких устройств с мемристорными характеристиками. Ку, Х.Дж., Со, Дж.Х., Дики, М.Д. и Велев, О.Д. На пути к схемам из мягкой материи: прототипы квазижидкостных устройств с мемристорными характеристиками.Ку, Х.Дж., Со, Дж.Х., Дики, М.Д. и Велев, О.Д. К схемам, полностью состоящим из мягкой материи: прототипы квазижидких устройств с мемристорными характеристиками. Ку, Х.Дж., Со, Дж.Х., Дики, М.Д. и Велев, О.Д. Ку, Х.Дж., Со, Дж.Х., Дики, М.Д. и Велев, О.Д.Ку, Х.Дж., Со, Дж.Х., Дики, М.Д., и Велев, О.Д. К схемам, вся мягкая материя: прототипы квазижидкостных устройств со свойствами мемристора.Продвинутая альма-матер.23, 3559–3564 (2011).
Билодо Р.А., Землянов Д.Ю. и Крамер Р.К. Жидко-металлические переключатели для экологически безопасной электроники. Билодо Р.А., Землянов Д.Ю. и Крамер Р.К. Жидко-металлические переключатели для экологически безопасной электроники.Билодо Р.А., Землянов Д.Ю., Крамер Р.К. Жидко-металлические переключатели для экологически чистой электроники. Билодо Р.А., Землянов Д.Ю. и Крамер Р.К. Билодо Р.А., Землянов Д.Ю. и Крамер Р.К.Билодо Р.А., Землянов Д.Ю., Крамер Р.К. Жидко-металлические переключатели для экологически чистой электроники.Продвинутая альма-матер.Интерфейс 4, 1600913 (2017).
Итак, Дж. Х., Ку, Х. Дж., Дики, М. Д. и Велев, О. Д. Выпрямление ионного тока в диодах из мягкого материала с жидкометаллическими электродами. Итак, Дж. Х., Ку, Х. Дж., Дики, М. Д. и Велев, О. Д. Выпрямление ионного тока в диодах из мягкого материала с жидкометаллическими электродами. Так, Дж.Х., Ку, Х.Дж., Дики, М.Д. и Велев, О.Д. Ионное выпрямление тока в диодах из мягкого материала с электродами из жидкого металла. Таким образом, Дж. Х., Ку, Х. Дж., Дики, М. Д. и Велев, О. Д. Выпрямление ионного тока в диодах из мягкого материала с жидкометаллическими электродами. Итак, JH, Ку, HJ, Дики, MD и Велев, OD. Итак, JH, Ку, HJ, Дики, MD и Велев, OD Так, Дж.Х., Ку, Х.Дж., Дики, М.Д. и Велев, О.Д. Ионное выпрямление тока в диодах из мягкого материала с жидкометаллическими электродами. Таким образом, Дж. Х., Ку, Х. Дж., Дики, М. Д. и Велев, О. Д. Выпрямление ионного тока в диодах из мягкого материала с жидкометаллическими электродами.Расширенные возможности.альма-матер.22, 625–631 (2012).
Ким М.-Г., Браун Д.К. и Брэнд О. Нанопроизводство полностью мягких электронных устройств высокой плотности на основе жидкого металла. Ким М.-Г., Браун Д.К. и Брэнд О. Нанопроизводство полностью мягких электронных устройств высокой плотности на основе жидкого металла.Ким М.-Г., Браун Д.К. и Брэнд О. Нанопроизводство полностью мягких электронных устройств на основе жидких металлов высокой плотности.Ким М.-Г., Браун Д.К. и Брэнд О. Нанопроизводство полностью мягкой электроники высокой плотности на основе жидкого металла.Национальная коммуна.11, 1–11 (2020).
Го, Р. и др.Cu-EGaIn — это расширяемая электронная оболочка для интерактивной электроники и локализации компьютерной томографии.альма-матер.Уровень.7. 1845–1853 (2020).
Лопес П.А., Пайсана Х., Де Алмейда А.Т., Маджиди К. и Таваколи М. Гидропечатная электроника: ультратонкая растягивающаяся Ag-In-Ga E-кожа для биоэлектроники и взаимодействия человека и машины. Лопес П.А., Пайсана Х., Де Алмейда А.Т., Маджиди К. и Таваколи М. Гидропечатная электроника: ультратонкая растягивающаяся Ag-In-Ga E-кожа для биоэлектроники и взаимодействия человека и машины.Лопес П.А., Пайсана Х., Де Алмейда А.Т., Маджиди К. и Таваколи М. Гидропечатная электроника: ультратонкая растягивающаяся электронная кожа Ag-In-Ga для биоэлектроники и взаимодействия человека и машины. Лопес П.А., Пайсана Х., Де Алмейда А.Т., Маджиди К. и Таваколи М. Гидропечатная электроника: ультратонкая растягивающаяся электронная кожа Ag-In-Ga для биоэлектроники и взаимодействия человека и машины. Лопес П.А., Пайсана Х., Де Алмейда А.Т., Маджиди К. и Таваколи М. Гидропечатная электроника: ультратонкая растягивающаяся электронная кожа Ag-In-Ga для биоэлектроники и взаимодействия человека и машины.Лопес П.А., Пайсана Х., Де Алмейда А.Т., Маджиди К. и Таваколи М. Гидропечатная электроника: ультратонкая растягивающаяся электронная кожа Ag-In-Ga для биоэлектроники и взаимодействия человека и машины.СКУД
Ян, Ю. и др.Сверхпрочные и инженерные трибоэлектрические наногенераторы на основе жидких металлов для носимой электроники.САУ Нано 12, 2027–2034 (2018).
Гао, К. и др.Разработка микроканальных структур для датчиков перенапряжения на основе жидких металлов при комнатной температуре.наука.Отчет 9, 1–8 (2019).
Чен, Г. и др.Сверхэластичные композитные волокна EGaIn выдерживают 500% растяжение и обладают превосходной электропроводностью для носимой электроники.ACS относится к альма-матер.Интерфейс 12, 6112–6118 (2020).
Ким С., Ох Дж., Чон Д. и Бэ Дж. Прямое подключение эвтектического галлия-индия к металлическому электроду для систем мягких датчиков. Ким С., Ох Дж., Чон Д. и Бэ Дж. Прямое подключение эвтектического галлия-индия к металлическому электроду для систем мягких датчиков.Ким С., Ох Дж., Чон Д. и Бэ Дж. Прямое соединение эвтектического галлия-индия с металлическими электродами для систем мягких датчиков. Ким, С., О, Дж., Чон, Д. и Бэ, Дж. Ким, С., О, Дж., Чон, Д. и Бэ, Дж. 就共晶металлический галлий-индийный электрод, непосредственно прикрепленный к мягкой сенсорной системе.Ким С., Ох Дж., Чон Д. и Бэ Дж. Прямое соединение эвтектического галлия-индия с металлическими электродами для мягких сенсорных систем.ACS относится к альма-матер.Интерфейсы 11, 20557–20565 (2019).
Юн, Г. и др.Жидкометаллонаполненные магнитореологические эластомеры с положительным пьезоэлектричеством.Национальная коммуна.10, 1–9 (2019).
Ким, К.К. Высокочувствительные и растягивающиеся многомерные тензорезисторы с перколяционными сетками из предварительно напряженных анизотропных металлических нанопроволок.Нанолет.15, 5240–5247 (2015).
Го Х., Хан Ю., Чжао В., Ян Дж. и Чжан Л. Универсальный автономный самовосстанавливающийся эластомер с высокой растяжимостью. Го Х., Хан Ю., Чжао В., Ян Дж. и Чжан Л. Универсальный автономный самовосстанавливающийся эластомер с высокой растяжимостью.Го Х., Хань Ю., Чжао В., Ян Дж. и Чжан Л. Универсальный самовосстанавливающийся эластомер с высокой эластичностью. Го, Х., Хан, Ю., Чжао, В., Ян, Дж. и Чжан, Л. Го Х., Хан Ю., Чжао В., Ян Дж. и Чжан Л.Го Х., Хань Юй, Чжао В., Ян Дж. и Чжан Л. Универсальные автономные самовосстанавливающиеся высокопрочные эластомеры.Национальная коммуна.11, 1–9 (2020).
Чжу X. и др.Ультратянутые металлические проводящие волокна с сердцевиной из жидкометаллического сплава.Расширенные возможности.альма-матер.23, 2308–2314 (2013).
Хан, Дж. и др.Исследование электрохимического прессования жидкометаллической проволоки.ACS относится к альма-матер.Интерфейс 12, 31010–31020 (2020).
Ли Х. и др.Спекание капель жидкого металла с бионановолокнами, вызванное испарением, для обеспечения гибкой электропроводности и быстрого срабатывания.Национальная коммуна.10, 1–9 (2019).
Дикки, доктор медицинских наук и др.Эвтектический галлий-индий (EGaIn): жидкометаллический сплав, используемый для формирования стабильных структур в микроканалах при комнатной температуре.Расширенные возможности.альма-матер.18, 1097–1104 (2008).
Ван С., Го Р. и Лю Дж. Мягкая робототехника на основе жидкого металла: материалы, конструкции и применение. Ван С., Го Р. и Лю Дж. Мягкая робототехника на основе жидкого металла: материалы, конструкции и применение.Ван X., Го Р. и Лю Дж. Мягкая робототехника на основе жидкого металла: материалы, конструкция и применение. Ван X., Го Р. и Лю Дж. Ван X., Го Р. и Лю Дж. Мягкие роботы на основе жидкого металла: материалы, конструкция и применение.Ван X., Го Р. и Лю Дж. Мягкие роботы на основе жидкого металла: материалы, конструкция и применение.Продвинутая альма-матер.технология 4, 1800549 (2019).