Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Aici demonstrăm proprietățile de umectare spontane și selective induse de imbibiție ale aliajelor metalice lichide pe bază de galiu pe suprafețe metalizate cu caracteristici topografice la microscală.Aliajele metalice lichide pe bază de galiu sunt materiale uimitoare cu o tensiune superficială enormă.Prin urmare, este dificil să le formați în pelicule subțiri.Udarea completă a aliajului eutectic de galiu și indiu a fost realizată pe suprafața microstructurată de cupru în prezența vaporilor de HCI, care au îndepărtat oxidul natural din aliajul de metal lichid.Această umectare este explicată numeric pe baza modelului Wenzel și a procesului de osmoză, arătând că dimensiunea microstructurii este critică pentru umezirea eficientă indusă de osmoză a metalelor lichide.În plus, demonstrăm că umezirea spontană a metalelor lichide poate fi direcționată selectiv de-a lungul regiunilor microstructurate de pe o suprafață metalică pentru a crea modele.Acest proces simplu acoperă și modelează uniform metalul lichid pe suprafețe mari, fără forță externă sau manipulare complexă.Am demonstrat că substraturile cu model de metal lichid păstrează conexiunile electrice chiar și atunci când sunt întinse și după cicluri repetate de întindere.
Aliajele metalice lichide pe bază de galiu (GaLM) au atras multă atenție datorită proprietăților lor atractive, cum ar fi punctul de topire scăzut, conductivitate electrică ridicată, vâscozitate și debit scăzute, toxicitate scăzută și deformabilitate ridicată1,2.Galiul pur are un punct de topire de aproximativ 30 °C, iar atunci când este fuzionat în compoziții eutectice cu unele metale precum In și Sn, punctul de topire este sub temperatura camerei.Cele două GaLM importante sunt aliajul eutectic de galiu indiu (EGaIn, 75% Ga și 25% In în greutate, punct de topire: 15,5 °C) și aliajul eutectic de galiu indiu staniu (GaInSn sau galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In și 10). % staniu, punct de topire: ~11 °C)1.2.Datorită conductivității lor electrice în fază lichidă, GaLM-urile sunt investigate în mod activ ca căi electronice de tracțiune sau deformabile pentru o varietate de aplicații, inclusiv senzori electronici3,4,5,6,7,8,9 tensionați sau curbați 10, 11, 12. , 13, 14 și derivațiile 15, 16, 17. Fabricarea unor astfel de dispozitive prin depunere, imprimare și modelare din GaLM necesită cunoașterea și controlul proprietăților de interfață ale GaLM și substratul său subiacent.GaLM-urile au o tensiune de suprafață ridicată (624 mNm-1 pentru EGaIn18,19 și 534 mNm-1 pentru Galinstan20,21), ceea ce le poate face dificil de manipulat sau manipulat.Formarea unei cruste dure de oxid de galiu nativ pe suprafața GaLM în condiții ambientale oferă o înveliș care stabilizează GaLM într-o formă nesferică.Această proprietate permite ca GaLM să fie imprimat, implantat în microcanale și modelat cu stabilitatea interfacială obținută de oxizi19,22,23,24,25,26,27.Carcasa de oxid dur permite, de asemenea, GaLM să adere la majoritatea suprafețelor netede, dar împiedică curgerea liberă a metalelor cu vâscozitate scăzută.Propagarea GaLM pe majoritatea suprafețelor necesită forță pentru a sparge învelișul de oxid28,29.
Învelișurile de oxid pot fi îndepărtate cu, de exemplu, acizi sau baze puternice.În absența oxizilor, GaLM formează picături pe aproape toate suprafețele datorită tensiunii lor superficiale uriașe, dar există și excepții: GaLM udă substraturile metalice.Ga formează legături metalice cu alte metale printr-un proces cunoscut sub numele de „umidificare reactivă”30,31,32.Această umectare reactivă este adesea examinată în absența oxizilor de suprafață pentru a facilita contactul metal-metal.Cu toate acestea, chiar și cu oxizii nativi din GaLM, s-a raportat că contactele metal-metal se formează atunci când oxizii se sparg la contactele cu suprafețele metalice netede29.Udarea reactivă are ca rezultat unghiuri de contact scăzute și umezire bună a majorității substraturilor metalice33,34,35.
Până în prezent, au fost efectuate multe studii privind utilizarea proprietăților favorabile de umectare reactivă a GaLM cu metale pentru a forma un model GaLM.De exemplu, GaLM a fost aplicat pe pistele metalice solide modelate prin pătare, rulare, pulverizare sau mascare a umbrelor34, 35, 36, 37, 38. Udarea selectivă a GaLM pe metale dure permite lui GaLM să formeze modele stabile și bine definite.Cu toate acestea, tensiunea superficială ridicată a GaLM împiedică formarea de pelicule subțiri foarte uniforme chiar și pe substraturi metalice.Pentru a aborda această problemă, Lacour et al.a raportat o metodă pentru producerea de filme subțiri GaLM netede și plate pe suprafețe mari prin evaporarea galiului pur pe substraturi microstructurate acoperite cu aur37,39.Această metodă necesită depunerea în vid, care este foarte lentă.În plus, GaLM nu este în general permis pentru astfel de dispozitive din cauza posibilei fragilizări40.Evaporarea depune, de asemenea, materialul pe substrat, deci este necesar un model pentru a crea modelul.Căutăm o modalitate de a crea filme și modele GaLM netede prin proiectarea de elemente metalice topografice pe care GaLM le udă spontan și selectiv în absența oxizilor naturali.Aici raportăm umezirea selectivă spontană a EGaIn fără oxizi (GaLM tipic) folosind comportamentul unic de umectare pe substraturi metalice structurate fotolitografic.Creăm structuri de suprafață definite fotolitografic la nivel micro pentru a studia imbibiția, controlând astfel umezirea metalelor lichide fără oxizi.Proprietățile de umectare îmbunătățite ale EGaIn pe suprafețele metalice microstructurate sunt explicate prin analiză numerică bazată pe modelul Wenzel și pe procesul de impregnare.În cele din urmă, demonstrăm depunerea pe suprafețe mari și modelarea EGaIn prin autoabsorbție, umectare spontană și selectivă pe suprafețele de depunere de metal microstructurate.Electrozii de tracțiune și deformatoarele care încorporează structuri EGaIn sunt prezentați ca potențiale aplicații.
Absorbția este un transport capilar în care lichidul invadează suprafața texturată 41, ceea ce facilitează răspândirea lichidului.Am investigat comportamentul de umectare al EGaIn pe suprafețele metalice microstructurate depuse în vapori de HCI (Fig. 1).Cuprul a fost ales ca metal pentru suprafața de bază. Pe suprafețele plane de cupru, EGaIn a arătat un unghi de contact scăzut de <20 ° în prezența vaporilor de HCl, datorită umezirii reactive31 (Fig. 1 suplimentară). Pe suprafețele plane de cupru, EGaIn a arătat un unghi de contact scăzut de <20 ° în prezența vaporilor de HCl, datorită umezirii reactive31 (Fig. 1 suplimentară). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутстви паростви паростви парова-зких HCl вания31 (дополнительный рисунок 1). Pe suprafețele plane de cupru, EGaIn a arătat un unghi de contact scăzut <20 ° în prezența vaporilor de HCl din cauza umezirii reactive31 (Figura suplimentară 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 присутстви Присутстви Присутстви краевые присутстви На плоских мачивания (дополнительный рисунок 1). Pe suprafețele plane de cupru, EGaIn prezintă unghiuri de contact scăzute <20 ° în prezența vaporilor de HCl din cauza umezirii reactive (Figura 1 suplimentară).Am măsurat unghiurile de contact apropiate ale EGaIn pe cupru în vrac și pe filme de cupru depuse pe polidimetilsiloxan (PDMS).
a Microstructuri coloanare (D (diametru) = l (distanță) = 25 µm, d (distanță între coloane) = 50 µm, H (înălțime) = 25 µm) și piramidale (lățime = 25 µm, înălțime = 18 µm) pe Cu substraturi /PDMS.b Modificări dependente de timp ale unghiului de contact pe substraturi plate (fără microstructuri) și rețele de stâlpi și piramide care conțin PDMS acoperit cu cupru.c, d Înregistrare interval a (c) vedere laterală și (d) vedere de sus a umezării EGaIn pe suprafață cu stâlpi în prezența vaporilor de HCI.
Pentru a evalua efectul topografiei asupra umezirii, s-au pregătit substraturi PDMS cu model columnar și piramidal, pe care s-a depus cupru cu un strat adeziv de titan (Fig. 1a).Sa demonstrat că suprafața microstructurată a substratului PDMS a fost acoperită conform cu cupru (Fig. 2 suplimentară).Unghiurile de contact dependente de timp ale EGaIn pe PDMS modelat și plan cu pulverizare cu cupru (Cu/PDMS) sunt prezentate în Fig.1b.Unghiul de contact al EGaIn pe cupru modelat/PDMS scade la 0° în aproximativ 1 min.Udarea îmbunătățită a microstructurilor EGaIn poate fi exploatată prin ecuația Wenzel\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), unde \({\theta}_{{aspru}}\) reprezintă unghiul de contact al suprafeței aspre, \ (r \) Rugozitatea suprafeței (= aria reală/zona aparentă) și unghiul de contact pe plan \({\theta}_{0}\).Rezultatele udarii îmbunătățite a EGaIn pe suprafețele modelate sunt în acord cu modelul Wenzel, deoarece valorile r pentru suprafețele modelate din spate și piramidal sunt 1,78 și, respectiv, 1,73.Aceasta înseamnă, de asemenea, că o picătură EGaIn situată pe o suprafață modelată va pătrunde în șanțurile reliefului subiacent.Este important de reținut că în acest caz se formează filme plate foarte uniforme, spre deosebire de cazul cu EGaIn pe suprafețe nestructurate (Figura 1 suplimentară).
Din fig.1c,d (Filmul suplimentar 1) se poate observa că după 30 s, pe măsură ce unghiul de contact aparent se apropie de 0°, EGaIn începe să difuzeze mai departe de marginea picăturii, care este cauzată de absorbție (Filmul suplimentar 2 și Suplimentar Fig. 3).Studiile anterioare ale suprafețelor plane au asociat scara de timp a umezirii reactive cu trecerea de la umezirea inerțială la cea vâscoasă.Dimensiunea terenului este unul dintre factorii cheie în a determina dacă are loc autoamorsarea.Prin compararea energiei de suprafață înainte și după imbibiție din punct de vedere termodinamic, a fost derivat unghiul critic de contact \({\theta}_{c}\) al imbibiției (a se vedea Discuția suplimentară pentru detalii).Rezultatul \({\theta}_{c}\) este definit ca \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) unde \({\phi}_{s}\) reprezintă aria fracționară din partea de sus a stâlpului și \(r\ ) reprezintă rugozitatea suprafeţei. Imbibiția poate apărea atunci când \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), adică unghiul de contact pe o suprafață plană. Imbibiția poate apărea atunci când \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), adică unghiul de contact pe o suprafață plană. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.e.контактный угол на плоской поверхности. Absorbția poate apărea atunci când \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), adică unghiul de contact pe o suprafață plană.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. Aspirația are loc atunci când \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), unghiul de contact pe plan.Pentru suprafețele post-model, \(r\) și \({\phi}_{s}\) sunt calculate ca \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) și \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), unde \(R\) reprezintă raza coloanei, \(H\) reprezintă înălțimea coloanei și \ ( d\) este distanța dintre centrele a doi stâlpi (Fig. 1a).Pentru suprafața poststructurată din fig.1a, unghiul \({\theta}_{c}\) este de 60°, care este mai mare decât planul \({\theta}_{0}\) (~25°) în vapori de HCI EGaIn fără oxizi pe Cu/PDMS.Prin urmare, picăturile EGaIn pot invada cu ușurință suprafața structurată de depunere de cupru din Fig. 1a datorită absorbției.
Pentru a investiga efectul dimensiunii topografice a modelului asupra umezirii și absorbției EGaIn, am variat dimensiunea stâlpilor acoperiți cu cupru.Pe fig.2 prezintă unghiurile de contact și absorbția EGaIn pe aceste substraturi.Distanța l dintre coloane este egală cu diametrul coloanelor D și variază de la 25 la 200 μm.Înălțimea de 25 µm este constantă pentru toate coloanele.\({\theta}_{c}\) scade odată cu creșterea dimensiunii coloanei (Tabelul 1), ceea ce înseamnă că absorbția este mai puțin probabilă pe substraturi cu coloane mai mari.Pentru toate mărimile testate, \({\theta}_{c}\) este mai mare decât \({\theta}_{0}\) și este de așteptat să fie absorbit.Cu toate acestea, absorbția este rar observată pentru suprafețele post-model cu l și D 200 µm (Fig. 2e).
a Unghi de contact dependent de timp al EGaIn pe o suprafață Cu/PDMS cu coloane de diferite dimensiuni după expunerea la vapori de HCI.b–e Vederi de sus și laterale ale umezării EGaIn.b D = l = 25 um, r = 1,78.în D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 um, r = 1,20.eD = l = 200 um, r = 1,10.Toți stâlpii au o înălțime de 25 µm.Aceste imagini au fost realizate la cel puțin 15 minute după expunerea la vapori de HCI.Picăturile de pe EGaIn sunt apă rezultată din reacția dintre oxidul de galiu și vaporii de HCI.Toate barele de scară din (b – e) sunt de 2 mm.
Un alt criteriu pentru determinarea probabilității de absorbție a lichidului este fixarea lichidului pe suprafață după aplicarea modelului.Kurbin și colab.Sa raportat că atunci când (1) stâlpii sunt suficient de înalți, picăturile vor fi absorbite de suprafața modelată;(2) distanța dintre coloane este destul de mică;și (3) unghiul de contact al lichidului pe suprafață este suficient de mic42.Numeric \({\theta}_{0}\) al fluidului pe un plan care conține același material substrat trebuie să fie mai mic decât unghiul de contact critic pentru fixare, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), pentru absorbție fără fixare între posturi, unde \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (a se vedea discuția suplimentară pentru detalii).Valoarea lui \({\theta}_{c,{pin}}\) depinde de dimensiunea pinului (Tabelul 1).Determinați parametrul adimensional L = l/H pentru a aprecia dacă are loc absorbția.Pentru absorbție, L trebuie să fie mai mic decât standardul de prag, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Pentru EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) pe un substrat de cupru \({L}_{c}\) este 5,2.Deoarece coloana L de 200 μm este 8, care este mai mare decât valoarea lui \({L}_{c}\), absorbția EGaIn nu are loc.Pentru a testa în continuare efectul geometriei, am observat autoamorsarea diferitelor H și l (Figura suplimentară 5 și Tabelul suplimentar 1).Rezultatele sunt de acord cu calculele noastre.Astfel, L se dovedește a fi un predictor eficient al absorbției;metalul lichid nu mai absoarbe din cauza prinderii atunci când distanța dintre stâlpi este relativ mare în comparație cu înălțimea stâlpilor.
Umiditatea poate fi determinată pe baza compoziției suprafeței substratului.Am investigat efectul compoziției suprafeței asupra umezirii și absorbției EGaIn prin co-depunerea Si și Cu pe stâlpi și planuri (Figura 6 suplimentară).Unghiul de contact EGaIn scade de la ~160° la ~80° pe măsură ce suprafața binară Si/Cu crește de la 0 la 75% la un conținut plat de cupru.Pentru o suprafață cu 75% Cu/25% Si, \({\theta}_{0}\) este ~80°, ceea ce corespunde cu \({L}_{c}\) egal cu 0,43 conform definiției de mai sus .Deoarece coloanele l = H = 25 μm cu L egal cu 1 mai mare decât pragul \({L}_{c}\), suprafața 75% Cu/25% Si după modelare nu se absoarbe din cauza imobilizării.Deoarece unghiul de contact al EGaIn crește odată cu adăugarea de Si, este necesar H mai mare sau l mai mic pentru a depăși fixarea și impregnarea.Prin urmare, deoarece unghiul de contact (adică \({\theta}_{0}\)) depinde de compoziția chimică a suprafeței, poate determina și dacă imbibiția are loc în microstructură.
Absorbția EGaIn pe cupru/PDMS modelat poate umezi metalul lichid în modele utile.Pentru a evalua numărul minim de linii de coloană care provoacă imbibiție, proprietățile de umectare ale EGaIn au fost observate pe Cu/PDMS cu linii post-model care conțin diferite numere de linii de coloană de la 1 la 101 (Fig. 3).Udarea are loc în principal în regiunea post-modelare.Absorbția EGaIn a fost observată în mod fiabil, iar lungimea absorbției a crescut odată cu numărul de rânduri de coloane.Absorbția nu are loc aproape niciodată când există stâlpi cu două sau mai puține linii.Acest lucru se poate datora presiunii capilare crescute.Pentru ca absorbția să aibă loc într-un model columnar, presiunea capilară cauzată de curbura capului EGaIn trebuie depășită (Fig. 7 suplimentară).Presupunând o rază de curbură de 12,5 µm pentru un cap EGaIn cu un singur rând cu un model columnar, presiunea capilară este de ~0,98 atm (~740 Torr).Această presiune mare Laplace poate preveni umezirea cauzată de absorbția EGaIn.De asemenea, mai puține rânduri de coloane pot reduce forța de absorbție care se datorează acțiunii capilare dintre EGaIn și coloane.
a Picături de EGaIn pe Cu/PDMS structurat cu modele de diferite lățimi (w) în aer (înainte de expunerea la vapori de HCl).Rânduri de rafturi începând de sus: 101 (l = 5025 µm), 51 (l = 2525 µm), 21 (l = 1025 µm) și 11 (l = 525 µm).b Udarea direcțională a EGaIn pe (a) după expunerea la vapori de HCI timp de 10 min.c, d Udarea EGaIn pe Cu/PDMS cu structuri columnare (c) două rânduri (w = 75 µm) și (d) un rând (w = 25 µm).Aceste imagini au fost realizate la 10 minute după expunerea la vapori de HCI.Barele de scară de pe (a, b) și (c, d) au 5 mm și, respectiv, 200 µm.Săgețile din (c) indică curbura capului EGaIn datorită absorbției.
Absorbția EGaIn în Cu/PDMS post-model permite formarea EGaIn prin umezire selectivă (Fig. 4).Când o picătură de EGaIn este plasată pe o zonă modelată și expusă la vapori de HCI, picătura de EGaIn se prăbușește mai întâi, formând un unghi mic de contact pe măsură ce acidul îndepărtează depunerile.Ulterior, absorbția începe de la marginea picăturii.Modelarea unei zone mari poate fi realizată de la EGaIn la scară centimetrică (Fig. 4a, c).Deoarece absorbția are loc numai pe suprafața topografică, EGaIn numai umezește zona modelului și aproape se oprește umezirea când ajunge pe o suprafață plană.În consecință, se observă granițele ascuțite ale modelelor EGaIn (Fig. 4d, e).Pe fig.4b arată cum EGaIn invadează regiunea nestructurată, în special în jurul locului în care a fost plasată inițial picătura EGaIn.Acest lucru se datorează faptului că cel mai mic diametru al picăturilor EGaIn utilizate în acest studiu a depășit lățimea literelor modelate.Picături de EGaIn au fost plasate pe locul modelului prin injectare manuală printr-un ac 27-G și o seringă, rezultând picături cu o dimensiune minimă de 1 mm.Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea picăturilor EGaIn mai mici.În general, Figura 4 demonstrează că umezirea spontană a EGaIn poate fi indusă și direcționată către suprafețe microstructurate.În comparație cu lucrările anterioare, acest proces de umectare este relativ rapid și nu este necesară nicio forță externă pentru a obține umezirea completă (Tabelul suplimentar 2).
emblema universității, litera b, c sub forma unui fulger.Regiunea absorbantă este acoperită cu o serie de coloane cu D = l = 25 µm.d, imagini mărite ale coastelor în e (c).Barele de scară de pe (a–c) și (d, e) sunt de 5 mm și, respectiv, 500 µm.Pe (c–e), picăturile mici de pe suprafață după adsorbție se transformă în apă ca rezultat al reacției dintre oxidul de galiu și vaporii de HCI.Nu a fost observat niciun efect semnificativ al formării apei asupra umezirii.Apa este îndepărtată cu ușurință printr-un proces simplu de uscare.
Datorită naturii lichide a EGaIn, Cu/PDMS acoperit cu EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) poate fi utilizat pentru electrozi flexibili și extensibili.Figura 5a compară modificările de rezistență ale Cu/PDMS original și EGaIn/Cu/PDMS la diferite sarcini.Rezistența Cu/PDMS crește brusc în tensiune, în timp ce rezistența EGaIn/Cu/PDMS rămâne scăzută la tensiune.Pe fig.5b și d arată imagini SEM și datele EMF corespunzătoare ale Cu/PDMS brut și EGaIn/Cu/PDMS înainte și după aplicarea tensiunii.Pentru Cu/PDMS intact, deformarea poate cauza fisuri în filmul dur de Cu depus pe PDMS din cauza nepotrivirii elasticității.În schimb, pentru EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn încă acoperă bine substratul Cu/PDMS și menține continuitatea electrică fără fisuri sau deformare semnificativă chiar și după aplicarea tensiunii.Datele EDS au confirmat că galiul și indiul din EGaIn au fost distribuite uniform pe substratul Cu/PDMS.Este de remarcat faptul că grosimea filmului EGaIn este aceeași și comparabilă cu înălțimea stâlpilor. Acest lucru este confirmat și de o analiză topografică ulterioară, unde diferența relativă dintre grosimea filmului EGaIn și înălțimea stâlpului este <10% (Figura 8 suplimentară și Tabelul 3). Acest lucru este confirmat și de o analiză topografică ulterioară, unde diferența relativă dintre grosimea filmului EGaIn și înălțimea stâlpului este <10% (Figura 8 suplimentară și Tabelul 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная раузная разнейшим топографическим анализом EGaIn и высотой столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). Acest lucru este, de asemenea, confirmat de o analiză topografică ulterioară, unde diferența relativă dintre grosimea filmului EGaIn și înălțimea coloanei este <10% (Figura suplimentară 8 și Tabelul 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皹其中千8 和表3）。 <10% Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная ральная ральнейшим топографическим анализом енки EGaIn и высотой столба составляла <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). Acest lucru a fost confirmat și de o analiză topografică ulterioară, unde diferența relativă dintre grosimea filmului EGaIn și înălțimea coloanei a fost <10% (Figura suplimentară 8 și Tabelul 3).Această umezire pe bază de imbibiție permite ca grosimea straturilor de acoperire EGaIn să fie bine controlată și menținută stabilă pe suprafețe mari, ceea ce este altfel dificil datorită naturii sale lichide.Figurile 5c și e compară conductivitatea și rezistența la deformare a originalului Cu/PDMS și EGaIn/Cu/PDMS.În demonstrație, LED-ul s-a aprins atunci când este conectat la electrozi Cu/PDMS sau EGaIn/Cu/PDMS neatinse.Când Cu/PDMS intact este întins, LED-ul se stinge.Cu toate acestea, electrozii EGaIn/Cu/PDMS au rămas conectați electric chiar și sub sarcină, iar lumina LED a scăzut doar ușor din cauza rezistenței crescute a electrodului.
a Rezistența normalizată se modifică odată cu creșterea sarcinii pe Cu/PDMS și EGaIn/Cu/PDMS.b, d Imagini SEM și analiză prin spectroscopie cu raze X cu dispersie energetică (EDS) înainte de (sus) și după (jos) polidiplexurile încărcate în (b) Cu/PDMS și (d) EGaIn/Cu/metilsiloxan.c, e LED-uri atașate la (c) Cu/PDMS și (e) EGaIn/Cu/PDMS înainte de (sus) și după (de jos) întindere (~ 30% stres).Bara de scară din (b) și (d) este de 50 µm.
Pe fig.6a prezintă rezistența EGaIn/Cu/PDMS în funcție de deformare de la 0% la 70%.Creșterea și recuperarea rezistenței este proporțională cu deformarea, ceea ce este în acord cu legea lui Pouillet pentru materialele incompresibile (R/R0 = (1 + ε)2), unde R este rezistența, R0 este rezistența inițială, ε este deformarea 43. Alte studii au arătat că atunci când sunt întinse, particulele solide într-un mediu lichid se pot rearanja și se pot distribui mai uniform, cu o coeziune mai bună, reducând astfel creșterea rezistenței 43, 44 . În această lucrare, totuși, conductorul este >99% metal lichid în volum, deoarece filmele de Cu au o grosime de numai 100 nm. În această lucrare, totuși, conductorul este >99% metal lichid în volum, deoarece filmele de Cu au o grosime de numai 100 nm. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как птленю 1 Cu нм. Cu toate acestea, în această lucrare, conductorul este format din >99% metal lichid în volum, deoarece filmele de Cu au o grosime de numai 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秲态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%Cu toate acestea, în această lucrare, deoarece filmul de Cu are o grosime de numai 100 nm, conductorul este format din mai mult de 99% metal lichid (în volum).Prin urmare, nu ne așteptăm ca Cu să aducă o contribuție semnificativă la proprietățile electromecanice ale conductorilor.
o modificare normalizată a rezistenței EGaIn/Cu/PDMS față de deformare în intervalul 0-70%.Stresul maxim atins înainte de defectarea PDMS a fost de 70% (Fig. 9 suplimentară).Punctele roșii sunt valori teoretice prezise de legea lui Puet.b Test de stabilitate a conductivității EGaIn/Cu/PDMS în timpul ciclurilor repetate de întindere-întindere.În testul ciclic a fost utilizată o tulpină de 30%.Bara de scară de pe interior este de 0,5 cm.L este lungimea inițială a EGaIn/Cu/PDMS înainte de întindere.
Factorul de măsurare (GF) exprimă sensibilitatea senzorului și este definit ca raportul dintre modificarea rezistenței și modificarea deformarii45.GF a crescut de la 1,7 la 10% deformare la 2,6 la 70% deformare din cauza schimbării geometrice a metalului.Comparativ cu alte tensometre, valoarea GF EGaIn/Cu/PDMS este moderată.Ca senzor, deși GF-ul său poate să nu fie deosebit de mare, EGaIn/Cu/PDMS prezintă o schimbare robustă a rezistenței ca răspuns la o sarcină scăzută a raportului semnal/zgomot.Pentru a evalua stabilitatea conductibilității EGaIn/Cu/PDMS, rezistența electrică a fost monitorizată în timpul ciclurilor repetate de întindere-întindere la o tensiune de 30%.După cum se arată în fig.6b, după 4000 de cicluri de întindere, valoarea rezistenței a rămas în intervalul de 10%, ceea ce se poate datora formării continue de scară în timpul ciclurilor repetate de întindere46.Astfel, au fost confirmate stabilitatea electrică pe termen lung a EGaIn/Cu/PDMS ca electrod extensibil și fiabilitatea semnalului ca tensiometru.
În acest articol, discutăm despre proprietățile îmbunătățite de umectare ale GaLM pe suprafețele metalice microstructurate cauzate de infiltrare.Udarea completă spontană a EGaIn a fost realizată pe suprafețele metalice columnare și piramidale în prezența vaporilor de HCI.Acest lucru poate fi explicat numeric pe baza modelului Wenzel și a procesului de absorbție, care arată dimensiunea post-microstructurii necesară pentru umezirea indusă de absorbție.Udarea spontană și selectivă a EGaIn, ghidată de o suprafață metalică microstructurată, face posibilă aplicarea unor acoperiri uniforme pe suprafețe mari și formarea modelelor de metal lichid.Substraturile Cu/PDMS acoperite cu EGaIn rețin conexiunile electrice chiar și atunci când sunt întinse și după cicluri repetate de întindere, așa cum este confirmat de măsurătorile SEM, EDS și rezistența electrică.În plus, rezistența electrică a Cu/PDMS acoperit cu EGaIn se modifică reversibil și fiabil proporțional cu deformarea aplicată, indicând aplicarea sa potențială ca senzor de deformare.Posibilele avantaje oferite de principiul de umectare a metalului lichid cauzat de imbibiție sunt următoarele: (1) Acoperirea și modelarea GaLM pot fi realizate fără forță externă;(2) Udarea GaLM pe suprafața microstructurii acoperită cu cupru este termodinamică.filmul GaLM rezultat este stabil chiar și sub deformare;(3) modificarea înălțimii coloanei acoperite cu cupru poate forma o peliculă GaLM cu grosime controlată.În plus, această abordare reduce cantitatea de GaLM necesară pentru a forma filmul, deoarece stâlpii ocupă o parte a filmului.De exemplu, atunci când se introduce o serie de stâlpi cu un diametru de 200 μm (cu o distanță între stâlpi de 25 μm), volumul de GaLM necesar pentru formarea filmului (~9 μm3/μm2) este comparabil cu volumul filmului fără stâlpii.(25 µm3/µm2).Totuși, în acest caz, trebuie avut în vedere că și rezistența teoretică, estimată conform legii lui Puet, crește de nouă ori.În general, proprietățile unice de umectare ale metalelor lichide discutate în acest articol oferă o modalitate eficientă de depunere a metalelor lichide pe o varietate de substraturi pentru electronice extensibile și alte aplicații emergente.
Substraturile PDMS au fost preparate prin amestecarea matricei Sylgard 184 (Dow Corning, SUA) și a întăritorului în rapoarte de 10:1 și 15:1 pentru teste de tracțiune, urmate de întărire într-un cuptor la 60°C.Cupru sau siliciu au fost depuse pe plachete de siliciu (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republica Coreea) și substraturi PDMS cu un strat adeziv de titan gros de 10 nm folosind un sistem de pulverizare personalizat.Structurile coloane și piramidale sunt depuse pe un substrat PDMS utilizând un proces fotolitografic de placă de siliciu.Lățimea și înălțimea modelului piramidal sunt de 25, respectiv 18 µm.Înălțimea modelului de bare a fost fixată la 25 µm, 10 µm și 1 µm, iar diametrul și pasul acestuia au variat de la 25 la 200 µm.
Unghiul de contact al EGaIn (galiu 75,5%/indiu 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republica Coreea) a fost măsurat folosind un analizor de formă de picătură (DSA100S, KRUSS, Germania). Unghiul de contact al EGaIn (galiu 75,5%/indiu 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republica Coreea) a fost măsurat folosind un analizor de formă de picătură (DSA100S, KRUSS, Germania). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с поюмави поюмощ тора (DSA100S, KRUSS, Германия). Unghiul de margine al EGaIn (galiu 75,5%/indiu 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republica Coreea) a fost măsurat folosind un analizor de picături (DSA100S, KRUSS, Germania). 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（大韩民国）的接触角使用滴形分析仪（分析仪（分析仪（分析仪（K100SS， DS量。 EGaIn (galiu 75,5%/indiu 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) a fost măsurat utilizând un analizor de contact (DSA100S, KRUSS, Germania). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с поюмоф апли (DSA100S, KRUSS, Германия). Unghiul de margine al EGaIn (galiu 75,5%/indiu 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republica Coreea) a fost măsurat utilizând un analizor de formă a capacului (DSA100S, KRUSS, Germania).Puneți substratul într-o cameră de sticlă de 5 cm × 5 cm × 5 cm și puneți o picătură de 4–5 μl de EGaIn pe substrat folosind o seringă cu diametrul de 0,5 mm.Pentru a crea un mediu de vapori de HCI, 20 μL de soluție de HCI (37% în greutate, Samchun Chemicals, Republica Coreea) au fost plasați lângă substrat, care a fost evaporat suficient pentru a umple camera în 10 s.
Suprafața a fost fotografiată folosind SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republica Coreea).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republica Coreea) a fost folosit pentru a studia analiza calitativă elementară și distribuția.Topografia suprafeței EGaIn/Cu/PDMS a fost analizată folosind un profilometru optic (The Profilm3D, Filmetrics, SUA).
Pentru a investiga schimbarea conductibilității electrice în timpul ciclurilor de întindere, eșantioanele cu și fără EGaIn au fost fixate pe echipamentul de întindere (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republica Coreea) și au fost conectate electric la un contor sursă Keithley 2400. Pentru a investiga schimbarea conductibilității electrice în timpul ciclurilor de întindere, eșantioanele cu și fără EGaIn au fost fixate pe echipamentul de întindere (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republica Coreea) și au fost conectate electric la un contor sursă Keithley 2400. Для исследования иззенения электропр dispoziția я растяжения (Sistem de mașini de îndoire și întindere, snm, ресiserimeble mister корея) и электрически порея) и электр vedere Pentru a studia schimbarea conductibilității electrice în timpul ciclurilor de întindere, eșantioanele cu și fără EGaIn au fost montate pe un echipament de întindere (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republica Coreea) și conectate electric la un contor sursă Keithley 2400.Pentru a studia schimbarea conductibilității electrice în timpul ciclurilor de întindere, eșantioanele cu și fără EGaIn au fost montate pe un dispozitiv de întindere (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republica Coreea) și conectate electric la un Keithley 2400 SourceMeter.Măsoară modificarea rezistenței în intervalul de la 0% la 70% din deformarea probei.Pentru testul de stabilitate, modificarea rezistenței a fost măsurată pe 4000 de cicluri de deformare 30%.
Pentru mai multe informații despre proiectarea studiului, consultați rezumatul studiului Nature legat de acest articol.
Datele care susțin rezultatele acestui studiu sunt prezentate în fișierele Informații suplimentare și Date brute.Acest articol oferă datele originale.
Daeneke, T. şi colab.Metale lichide: baze chimice și aplicații.Chimic.societate.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. și Dickey, MD Atribute, fabricare și aplicații ale particulelor de metal lichid pe bază de galiu. Lin, Y., Genzer, J. și Dickey, MD Atribute, fabricare și aplicații ale particulelor de metal lichid pe bază de galiu.Lin, Y., Genzer, J. și Dickey, MD Proprietăți, fabricarea și aplicarea particulelor de metal lichid pe bază de galiu. Lin, Y., Genzer, J. și Dickey, MD 镓基液态金属颗粒的属性、制造和应用。 Lin, Y., Genzer, J. și Dickey, MDLin, Y., Genzer, J. și Dickey, MD Proprietăți, fabricarea și aplicarea particulelor de metal lichid pe bază de galiu.Știință avansată.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Către circuite de materie moale: prototipuri de dispozitive cvasi-lichide cu caracteristici memristor. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Către circuite de materie moale: prototipuri de dispozitive cvasi-lichide cu caracteristici memristor.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD și Velev, OD Pentru circuite compuse în întregime din materie moale: Prototipuri de dispozitive cvasi-lichid cu caracteristici memristor. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & 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 și Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD și Velev, OD Towards Circuits All Soft Matter: Prototypes of Quasi-Fluid Devices with Memristor Properties.Avansat alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Întrerupătoare din metal lichid pentru electronice sensibile la mediu. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Întrerupătoare din metal lichid pentru electronice sensibile la mediu.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Întrerupătoare din metal lichid pentru electronice ecologice. 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 & Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Întrerupătoare din metal lichid pentru electronice ecologice.Avansat alma mater.Interfață 4, 1600913 (2017).
Deci, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Redresarea curentului ionic în diode de materie moale cu electrozi din metal lichid. Deci, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Redresarea curentului ionic în diode cu materie moale cu electrozi din metal lichid. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Astfel, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Redresarea curentului ionic în diode de material moale cu electrozi din metal lichid. Deci, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD 带液态金属电极的软物质二极管中的离子电流整流。 Deci, JH, Koo, HJ, Dickey, MD și Velev, OD Так, jh, koo, hj, dickey, md & velev, od ионное ыыster până Astfel, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Redresarea curentului ionic în diode de material moale cu electrozi din metal lichid.Capabilitati extinse.Alma Mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication pentru dispozitive electronice complet moi și de înaltă densitate pe bază de metal lichid. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication pentru dispozitive electronice complet moi și de înaltă densitate pe bază de metal lichid.Kim, M.-G., Brown, DK și Brand, O. Nanofabrication pentru dispozitive electronice complet moi și de înaltă densitate pe bază de metal lichid.Kim, M.-G., Brown, DK și Brand, O. Nanofabrication of high-density, all-soft electronics based on liquid metal.Comuna nationala.11, 1–11 (2020).
Guo, R. şi colab.Cu-EGaIn este o carcasă de electroni extensibilă pentru electronică interactivă și localizare CT.Alma Mater.Nivel.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. și Tavakoli, M. Electronică hidroprintată: piele ultrasubțire extensibilă Ag-In-Ga E-skin pentru bioelectronica și interacțiunea om-mașină. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. și Tavakoli, M. Electronică hidroprintată: piele ultrasubțire extensibilă Ag-In-Ga E-skin pentru bioelectronica și interacțiunea om-mașină.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. și Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin pentru bioelectronics și interacțiune om-mașină. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. și Tavakoli, M. Electronică hidroprintată: piele electronică Ag-In-Ga extensibilă ultrasubțire pentru bioelectronică și interacțiune om-mașină. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. și Tavakoli, M. Electronică hidroprintată: piele electronică Ag-In-Ga extensibilă ultrasubțire pentru bioelectronică și interacțiune om-mașină.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. și Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin pentru bioelectronics și interacțiune om-mașină.ACS
Yang, Y. şi colab.Nanogeneratoare triboelectrice ultra-rezistente și proiectate pe bază de metale lichide pentru electronice portabile.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. şi colab.Dezvoltarea structurilor microcanale pentru senzori de supraîntindere pe bază de metale lichide la temperatura camerei.știința.Raportul 9, 1–8 (2019).
Chen, G. şi colab.Fibrele compozite superelastice EGaIn pot rezista la 500% tensiuni la tracțiune și au o conductivitate electrică excelentă pentru electronicele portabile.ACS se referă la alma mater.Interfață 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Cablare directă de galiu-indiu eutectic la un electrod metalic pentru sisteme de senzori moi. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Cablare directă de galiu-indiu eutectic la un electrod metalic pentru sisteme de senzori moi.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. și Bae, J. Legarea directă a electrozilor eutectici de galiu-indiu la metal pentru sistemele de detectare moale. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. și 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. & Bae, J. 就共晶 Electrod metalic de galiu-indiu atașat direct la sistemul de senzori moale.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. și Bae, J. Legătura directă a electrozilor eutectici de galiu-indiu la metal pentru sisteme de senzori moi.ACS se referă la alma mater.Interfețe 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. şi colab.Elastomeri magnetoreologici umpluți cu metal lichid, cu piezoelectricitate pozitivă.Comuna nationala.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Extensometre multidimensionale foarte sensibile și extensibile, cu rețele de percolare din nanofire metalice anizotrope precomprimate.Nanolet.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Elastomer auto-vindecare universal autonom cu elasticitate ridicată. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Elastomer auto-vindecare universal autonom cu elasticitate ridicată.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. și Zhang, L. Elastomer versatil cu auto-vindecare, cu elasticitate ridicată. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. și 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. și Zhang, L.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. și Zhang L. Elastomeri de înaltă rezistență auto-vindecători offline.Comuna nationala.11, 1–9 (2020).
Zhu X. și colab.Fibre conductoare metalice ultratrasate folosind miezuri de aliaj de metal lichid.Capabilitati extinse.Alma Mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. şi colab.Studiul presării electrochimice a sârmei metalice lichide.ACS se referă la alma mater.Interfață 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. şi colab.Sinterizarea indusă de evaporare a picăturilor de metal lichid cu bionanofibre pentru conductivitate electrică flexibilă și acționare receptivă.Comuna nationala.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD și colab.Galiu-indiu eutectic (EGaIn): aliaj metalic lichid utilizat pentru a forma structuri stabile în microcanale la temperatura camerei.Capabilitati extinse.Alma Mater.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Robotică moale pe bază de metal lichid: materiale, design și aplicații. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Robotică moale pe bază de metal lichid: materiale, design și aplicații.Wang, X., Guo, R. și Liu, J. Robotică moale bazată pe metal lichid: materiale, construcție și aplicații. Wang, X., Guo, R. și Liu, J. 基于液态金属的软机器人：材料、设计和应用。 Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Roboti moi pe bază de metal lichid: materiale, design și aplicații.Wang, X., Guo, R. și Liu, J. Roboți moi bazați pe metal lichid: materiale, construcție și aplicații.Avansat alma mater.tehnologie 4, 1800549 (2019).