青島能源所製備出新型納米液態金屬電子墨水和智能柔性導電器件

2020-11-27 光明網

　　隨著電子科技的高速發展，人們生活水平的不斷提高，柔性電子器件的需求與日俱增。柔性電子技術需要電子器件具有柔性、可拉伸性、生物相容性等諸多新特性。液體金屬（Liquid Metal, LM）完美結合了液體的形變能力與金屬的導電能力，而且具有良好的化學穩定性和優異的生物相容性，是理想的柔性電路材料。然而，LM表面張力極大（例如鎵銦合金（其中74.5 wt% Ga和25.5 wt %In），624 mN m–1），難以加工，也難以與其它基底等材料複合，大大限制了LM在柔性電子領域的實際應用。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員李朝旭帶領的仿生智能材料研究組，通過將LM在海藻酸鹽溶液中超聲處理，製備成包覆有海藻酸鹽微凝膠的LM微納液滴。在超聲的過程中海藻酸鹽不僅可以通過羧基與Ga3+配位促進粒徑的降低，而且可以螯合Ga3+形成微凝膠，從而抑制Ga3+的進一步釋放，提高了材料的生物相容性。包覆海藻酸鹽微凝膠的LM分散液不僅增加了膠體穩定性和化學穩定性，還可以大幅增加其與柔性基底的親和性，可用於電子墨水。雖然微納液滴組成的電路由於氧化層外殼呈現絕緣狀態，但是可以通過外加壓力的方法恢復其導電性（4.8×105 S m–1）。這種電路可應用於可穿戴微電路、電熱驅動器和電子皮膚等領域（圖1）。相關成果已發表在《先進功能材料》（Adv. Funct. Mater. 2018, 28，1804197）上。

　　由於LM微納液滴表面存在氧化層或者穩定劑，以其沉積的電路需要通過外加壓力、雷射、高溫等處理恢復其導電性，這些後處理技術不僅耗費能量，而且在應用上存在諸多局限性。該研究組通過研究發現，在生物質納米纖維（Nanofibers, NFs）（例如：纖維素NFs、甲殼素NFs、蠶絲NFs等）的水分散液中超聲LM，可以得到穩定分散的LM微納液滴。常溫常壓下乾燥分散液，LM微納液滴能夠燒結成連續的液體金屬導電薄膜（圖2）。深入研究表明，生物基NFs可能具有三個方面的作用：第一，生物基NFs具有豐富的親水基團（例如羥基、羧基等），可以在超聲過程中與Ga3+交聯，降低液態金屬的粒徑和增加液態金屬液滴的膠體穩定性；第二，生物基NFs在蒸發過程中可以產生很高的毛細作用力，進而破壞LM微納液滴外面包覆的殼層；第三，增大液態金屬層對基底的粘附力，使其可以穩定附著在玻璃、聚對苯二甲酸乙二酯（Polyethylene terephthalate, PET）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene-ethylene-butene-styrene block copolymer, SEBS）、聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）、油紙等多種材質表面。基於蒸發燒結製備的薄膜或者塗層材料具有柔性、高反射率、可伸縮導電性（伸長率達200%）、良好的電磁屏蔽效果、生物降解性和對溼度、光、電具有超快的刺激響應性等特點，蒸發燒結的方法可廣泛應用於微電路、傳感、可穿戴設備和柔性機器人等柔性電子學領域。相關成果發表於近期的《自然-通訊》（Nat. Commun. 2019, 10, 3514）上。

　　上述研究獲得國家自然科學基金（Nos.21474125, 51608509）、山東省傑出青年基金（Nos. JQ201609）、山東省博士基金（ZR2016EEB25）、研究所一三五重點培育項目等的支持。

圖1. 海藻酸鹽輔助超聲製備LM納米液滴及應用

圖2. 生物質NFs輔助超聲製備LM微納液滴及燒結展示

[ 責編：戰釗 ]

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