Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Тук ние демонстрираме индуцираните от поглъщане, спонтанни и селективни омокрящи свойства на течни метални сплави на базата на галий върху метализирани повърхности с микромащабни топографски характеристики.Течните метални сплави на базата на галий са невероятни материали с огромно повърхностно напрежение.Поради това е трудно да се оформят в тънки филми.Пълно омокряне на евтектичната сплав от галий и индий се постига върху микроструктурираната медна повърхност в присъствието на HCl пари, които отстраняват естествения оксид от течната метална сплав.Това намокряне е числено обяснено на базата на модела на Wenzel и процеса на осмоза, показвайки, че размерът на микроструктурата е от решаващо значение за ефективното предизвикано от осмоза намокряне на течни метали.В допълнение, ние демонстрираме, че спонтанното намокряне на течни метали може да бъде селективно насочено по микроструктурирани области върху метална повърхност, за да се създадат шарки.Този прост процес равномерно покрива и оформя течен метал върху големи площи без външна сила или сложно боравене.Демонстрирахме, че субстратите с шарки от течен метал запазват електрически връзки дори когато са разтегнати и след многократни цикли на разтягане.
Течните метални сплави на основата на галий (GaLM) привлякоха голямо внимание поради своите атрактивни свойства като ниска точка на топене, висока електрическа проводимост, нисък вискозитет и поток, ниска токсичност и висока деформируемост1,2.Чистият галий има точка на топене около 30 °C и когато се слее в евтектични състави с някои метали като In и Sn, точката на топене е под стайната температура.Двете важни GaLM са евтектична сплав на галий индий (EGaIn, 75% Ga и 25% In спрямо теглото, точка на топене: 15,5 °C) и евтектична сплав на галий индий и калай (GaInSn или галинстан, 68,5% Ga, 21,5% In и 10 % калай, точка на топене: ~11 °C) 1.2.Поради тяхната електрическа проводимост в течната фаза, GaLMs се изследват активно като опън или деформируеми електронни пътища за различни приложения, включително електронни3,4,5,6,7,8,9 сензори с напрежение или извивка 10, 11, 12 , 13, 14 и изводи 15, 16, 17. Производството на такива устройства чрез отлагане, отпечатване и моделиране от GaLM изисква познаване и контрол на свойствата на повърхността на GaLM и неговия основен субстрат.GaLMs имат високо повърхностно напрежение (624 mNm-1 за EGaIn18,19 и 534 mNm-1 за Galinstan20,21), което може да ги направи трудни за боравене или манипулиране.Образуването на твърда кора от естествен галиев оксид върху повърхността на GaLM при околни условия осигурява обвивка, която стабилизира GaLM в несферична форма.Това свойство позволява GaLM да бъде отпечатан, имплантиран в микроканали и моделиран с междинната стабилност, постигната от оксиди 19, 22, 23, 24, 25, 26, 27.Твърдата оксидна обвивка също така позволява на GaLM да се придържа към повечето гладки повърхности, но не позволява на металите с нисък вискозитет да текат свободно.Разпространението на GaLM върху повечето повърхности изисква сила за разрушаване на оксидната обвивка 28, 29.
Оксидните черупки могат да бъдат отстранени например със силни киселини или основи.В отсъствието на оксиди, GaLM образува капки върху почти всички повърхности поради огромното им повърхностно напрежение, но има изключения: GaLM намокря метални субстрати.Ga образува метални връзки с други метали чрез процес, известен като „реактивно намокряне“30,31,32.Това реактивно овлажняване често се изследва в отсъствието на повърхностни оксиди, за да се улесни контактът метал-метал.Въпреки това, дори при естествени оксиди в GaLM, се съобщава, че се образуват контакти метал-метал, когато оксидите се счупят при контакти с гладки метални повърхности29.Реактивното омокряне води до ниски контактни ъгли и добро омокряне на повечето метални субстрати33,34,35.
Към днешна дата са проведени много проучвания за използването на благоприятните свойства на реактивното омокряне на GaLM с метали за образуване на GaLM модел.Например, GaLM е приложен към шарени плътни метални пътеки чрез размазване, търкаляне, пръскане или маскиране на сенки 34, 35, 36, 37, 38. Селективното намокряне на GaLM върху твърди метали позволява на GaLM да образува стабилни и добре дефинирани модели.Въпреки това, високото повърхностно напрежение на GaLM възпрепятства образуването на силно равномерни тънки филми дори върху метални субстрати.За да се справят с този проблем, Lacour et al.съобщават за метод за производство на гладки, плоски тънки филми GaLM върху големи площи чрез изпаряване на чист галий върху покрити със злато микроструктурирани субстрати 37, 39.Този метод изисква вакуумно отлагане, което е много бавно.В допълнение, GaLM обикновено не е разрешен за такива устройства поради възможна крехкост40.Изпарението също отлага материала върху субстрата, така че е необходим шаблон за създаване на модела.Ние търсим начин да създадем гладки GaLM филми и шарки чрез проектиране на топографски метални елементи, които GaLM намокря спонтанно и избирателно в отсъствието на естествени оксиди.Тук докладваме спонтанното селективно омокряне на безоксиден EGaIn (типичен GaLM), използвайки уникалното поведение на омокряне върху фотолитографски структурирани метални субстрати.Ние създаваме фотолитографски дефинирани повърхностни структури на микрониво, за да изследваме впиването, като по този начин контролираме намокрянето на течни метали без оксиди.Подобрените омокрящи свойства на EGaIn върху микроструктурирани метални повърхности се обясняват с числен анализ, базиран на модела на Wenzel и процеса на импрегниране.И накрая, ние демонстрираме отлагане на голяма площ и моделиране на EGaIn чрез самопоглъщане, спонтанно и селективно намокряне върху микроструктурирани повърхности за отлагане на метал.Като потенциални приложения са представени опънни електроди и тензодатчици, включващи EGaIn структури.
Абсорбцията е капилярен транспорт, при който течността нахлува в текстурираната повърхност 41, което улеснява разпространението на течността.Изследвахме поведението на омокряне на EGaIn върху метални микроструктурирани повърхности, отложени в HCl пари (фиг. 1).Медта е избрана като метал за основната повърхност. Върху плоски медни повърхности, EGaIn показа нисък контактен ъгъл от <20° в присъствието на HCl пари, поради реактивно овлажняване31 (допълнителна фигура 1). Върху плоски медни повърхности, EGaIn показа нисък контактен ъгъл от <20° в присъствието на HCl пари, поради реактивно овлажняване31 (допълнителна фигура 1). На плоските медни повърхности EGaIn показа нисък краев ъгъл <20 ° в присъствието на паров HCl из-за реактивно смляване31 (допълнителен рисунок 1). Върху плоски медни повърхности, EGaIn показа нисък <20° контактен ъгъл в присъствието на HCl пари поради реактивно омокряне31 (допълнителна фигура 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<20° 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 плоските медни повърхности EGaIn демонстрира ниски крави ъгли <20 ° в присъствието на паров HCl из-за реактивно изсушаване (допълнителен рисунок 1). Върху плоски медни повърхности, EGaIn показва ниски контактни ъгли <20° в присъствието на HCl пари поради реактивно омокряне (допълнителна фигура 1).Измервахме близките контактни ъгли на EGaIn върху насипна мед и върху медни филми, отложени върху полидиметилсилоксан (PDMS).
колонни (D (диаметър) = l (разстояние) = 25 µm, d (разстояние между колоните) = 50 µm, H (височина) = 25 µm) и пирамидални (ширина = 25 µm, височина = 18 µm) микроструктури върху Cu /PDMS субстрати.b Зависещи от времето промени в контактния ъгъл върху плоски субстрати (без микроструктури) и масиви от стълбове и пирамиди, съдържащи PDMS с медно покритие.c, d Интервално записване на (c) страничен изглед и (d) изглед отгоре на EGaIn намокряне на повърхността със стълбове в присъствието на HCl пари.
За да се оцени ефектът на топографията върху омокрянето, бяха приготвени PDMS субстрати с колонен и пирамидален модел, върху които медта беше отложена с титанов адхезивен слой (фиг. 1а).Беше демонстрирано, че микроструктурираната повърхност на PDMS субстрата е конформно покрита с мед (допълнителна фигура 2).Зависимите от времето контактни ъгли на EGaIn върху шарени и планарни медно разпръснати PDMS (Cu/PDMS) са показани на фиг.1б.Контактният ъгъл на EGaIn върху шарена мед/PDMS пада до 0° в рамките на ~1 минута.Подобреното овлажняване на микроструктурите на EGaIn може да се използва от уравнението на Венцел\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), където \({\theta}_{{rough}}\) представлява контактният ъгъл на грапавата повърхност, \ (r \) Грапавост на повърхността (= действителна площ/привидна площ) и контактен ъгъл върху равнината \({\theta}_{0}\).Резултатите от засиленото намокряне на EGaIn върху шарените повърхности са в добро съгласие с модела на Wenzel, тъй като стойностите на r за задните и пирамидални шарени повърхности са съответно 1,78 и 1,73.Това също означава, че капка EGaIn, разположена върху шарена повърхност, ще проникне в жлебовете на основния релеф.Важно е да се отбележи, че в този случай се образуват много еднакви плоски филми, за разлика от случая с EGaIn върху неструктурирани повърхности (допълнителна фигура 1).
От фиг.1c, d (допълнителен филм 1) може да се види, че след 30 s, когато видимият контактен ъгъл се доближава до 0 °, EGaIn започва да дифундира по-далеч от ръба на капката, което е причинено от абсорбция (допълнителен филм 2 и допълнителен Фиг. 3).Предишни изследвания на плоски повърхности свързват времевата скала на реактивно овлажняване с прехода от инерционно към вискозно овлажняване.Големината на терена е един от ключовите фактори за определяне дали ще се появи самозасмукване.Чрез сравняване на повърхностната енергия преди и след впиване от термодинамична гледна точка беше получен критичният контактен ъгъл \({\theta}_{c}\) на впиване (вижте Допълнителна дискусия за подробности).Резултатът \({\theta}_{c}\) се определя като \({{{({\rm{cos))))))\, {\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\), където \({\phi}_{s}\) представлява частичната област в горната част на публикацията и \(r\ ) представлява грапавостта на повърхността. Поглъщане може да възникне, когато \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), т.е. контактният ъгъл върху равна повърхност. Поглъщане може да възникне, когато \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), т.е. контактният ъгъл върху равна повърхност. Впитването може да се случи, когато \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактен ъгъл на плоска повърхност. Абсорбция може да възникне, когато \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), т.е. контактният ъгъл върху равна повърхност.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。 Всасването се случва, когато \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактен ъгъл на плоскост. Засмукването възниква, когато \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), контактен ъгъл в равнината.За пост-моделирани повърхности \(r\) и \({\phi}_{s}\) се изчисляват като \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) и \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), където \(R\) представлява радиуса на колоната, \(H\) представлява височината на колоната и \ ( d\) е разстоянието между центровете на два стълба (фиг. 1а).За постструктурираната повърхност на фиг.1a, ъгълът \({\theta}_{c}\) е 60°, което е по-голямо от \({\theta}_{0}\) равнината (~25°) в EGaIn без оксид на HCl пари върху Cu/PDMS.Следователно капчиците EGaIn могат лесно да нахлуят в структурираната повърхност на отлагане на мед на Фиг. 1а поради абсорбция.
За да изследваме ефекта от топографския размер на модела върху омокрянето и абсорбцията на EGaIn, ние променихме размера на покрити с мед стълбове.На фиг.2 показва контактните ъгли и абсорбцията на EGaIn върху тези субстрати.Разстоянието l между колоните е равно на диаметъра на колоните D и варира от 25 до 200 μm.Височината от 25 µm е постоянна за всички колони.\({\theta}_{c}\) намалява с увеличаване на размера на колоната (Таблица 1), което означава, че абсорбцията е по-малко вероятна при субстрати с по-големи колони.За всички тествани размери \({\theta}_{c}\) е по-голямо от \({\theta}_{0}\) и се очаква изпичане.Обаче рядко се наблюдава абсорбция за пост-моделирани повърхности с l и D 200 µm (фиг. 2e).
Зависещ от времето контактен ъгъл на EGaIn върху Cu/PDMS повърхност с колони с различни размери след излагане на HCl пари.b–e Изгледи отгоре и отстрани на намокряне с EGaIn.b D = l = 25 µm, r = 1,78.в D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Всички стълбове са с височина 25 µm.Тези изображения са направени най-малко 15 минути след излагане на HCl пари.Капките върху EGaIn са вода, получена в резултат на реакцията между галиев оксид и HCl пари.Всички мащабни ленти в (b – e) са 2 mm.
Друг критерий за определяне на вероятността от абсорбция на течност е фиксирането на течността върху повърхността след нанасяне на шаблона.Курбин и др.Докладвано е, че когато (1) стълбовете са достатъчно високи, капчиците ще се абсорбират от шарената повърхност;(2) разстоянието между колоните е доста малко;и (3) ъгълът на контакт на течността с повърхността е достатъчно малък42.Числено \({\theta}_{0}\) на течността върху равнина, съдържаща същия материал на субстрата, трябва да бъде по-малък от критичния контактен ъгъл за закрепване, \({\theta}_{c,{pin))} \ ), за поглъщане без закрепване между стълбовете, където \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (вижте допълнителна дискусия за подробности).Стойността на \({\theta}_{c,{pin}}\) зависи от размера на щифта (Таблица 1).Определете безразмерния параметър L = l/H, за да прецените дали настъпва абсорбцията.За поглъщане L трябва да е по-малко от стандартния праг, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).За EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) върху медна подложка \({L}_{c}\) е 5,2.Тъй като L колоната от 200 μm е 8, което е по-голямо от стойността на \({L}_{c}\), EGaIn абсорбция не се получава.За по-нататъшно тестване на ефекта на геометрията, ние наблюдавахме самозасмукване на различни H и l (допълнителна фигура 5 и допълнителна таблица 1).Резултатите съвпадат добре с нашите изчисления.Така L се оказва ефективен предиктор на абсорбцията;течният метал спира да абсорбира поради закрепване, когато разстоянието между стълбовете е сравнително голямо в сравнение с височината на стълбовете.
Омокряемостта може да се определи въз основа на състава на повърхността на основата.Изследвахме ефекта на повърхностния състав върху омокрянето и абсорбцията на EGaIn чрез съвместно отлагане на Si и Cu върху стълбове и равнини (допълнителна фигура 6).Контактният ъгъл на EGaIn намалява от ~160° до ~80°, тъй като бинарната повърхност на Si/Cu се увеличава от 0 до 75% при плоско съдържание на мед.За повърхност от 75% Cu/25% Si \({\theta}_{0}\) е ~80°, което съответства на \({L}_{c}\), равно на 0,43 според горната дефиниция .Тъй като колоните l = H = 25 μm с L равно на 1 по-голямо от прага \({L}_{c}\), повърхността от 75% Cu/25% Si след моделиране не абсорбира поради обездвижване.Тъй като контактният ъгъл на EGaIn се увеличава с добавянето на Si, е необходим по-висок H или по-нисък l за преодоляване на закрепването и импрегнирането.Следователно, тъй като контактният ъгъл (т.е. \({\theta}_{0}\)) зависи от химичния състав на повърхността, той може също така да определи дали в микроструктурата възниква впиване.
Абсорбцията на EGaIn върху шарена мед/PDMS може да намокри течния метал в полезни модели.За да се оцени минималният брой колонни линии, причиняващи поглъщане, омокрящите свойства на EGaIn бяха наблюдавани върху Cu/PDMS с линии след шаблон, съдържащи различни номера на колонни линии от 1 до 101 (фиг. 3).Намокрянето се появява главно в региона след моделиране.Изпичането на EGaIn беше надеждно наблюдавано и дължината на изпичане се увеличаваше с броя на редовете от колони.Поглъщането почти никога не се случва, когато има публикации с два или по-малко реда.Това може да се дължи на повишено капилярно налягане.За да се осъществи абсорбцията в колонен модел, капилярното налягане, причинено от кривината на главата на EGaIn, трябва да бъде преодоляно (допълнителна фигура 7).Приемайки радиус на кривина от 12,5 µm за едноредова глава EGaIn с колонен модел, капилярното налягане е ~0,98 atm (~740 Torr).Това високо налягане на Лаплас може да предотврати намокрянето, причинено от абсорбцията на EGaIn.Също така, по-малко редове колони могат да намалят абсорбционната сила, която се дължи на капилярното действие между EGaIn и колоните.
a Капки от EGaIn върху структуриран Cu/PDMS с шарки с различна ширина (w) във въздуха (преди излагане на HCl пари).Редове от стелажи, започващи отгоре: 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) и 11 (w = 525 µm).b Насочено омокряне на EGaIn върху ( a ) след излагане на HCl пари за 10 минути.c, d Овлажняване на EGaIn върху Cu/PDMS с колонни структури (c) два реда (w = 75 µm) и (d) един ред (w = 25 µm).Тези изображения са направени 10 минути след излагане на HCl пари.Скалите на (a, b) и (c, d) са съответно 5 mm и 200 µm.Стрелките в (c) показват кривината на главата на EGaIn поради абсорбция.
Абсорбцията на EGaIn в Cu/PDMS с пост-моделиране позволява EGaIn да се образува чрез селективно омокряне (фиг. 4).Когато капка EGaIn се постави върху шарена област и се изложи на HCl пари, капката EGaIn се свива първа, образувайки малък контактен ъгъл, докато киселината премахва котления камък.Впоследствие абсорбцията започва от ръба на капката.Моделиране на голяма площ може да се постигне от EGaIn в сантиметър (фиг. 4a, c).Тъй като абсорбцията настъпва само върху топографската повърхност, EGaIn намокря само областта на шарката и почти спира да се намокря, когато достигне равна повърхност.Следователно се наблюдават резки граници на моделите на EGaIn (фиг. 4d, e).На фиг.4b показва как EGaIn нахлува в неструктурираната област, особено около мястото, където първоначално е поставена капката EGaIn.Това е така, защото най-малкият диаметър на капчиците EGaIn, използвани в това изследване, надвишава ширината на шарените букви.Капки от EGaIn се поставят върху мястото на модела чрез ръчно инжектиране през 27-G игла и спринцовка, което води до капки с минимален размер от 1 mm.Този проблем може да бъде решен чрез използване на по-малки капчици EGaIn.Като цяло Фигура 4 демонстрира, че спонтанното намокряне на EGaIn може да бъде предизвикано и насочено към микроструктурирани повърхности.В сравнение с предишната работа, този процес на намокряне е относително бърз и не е необходима външна сила за постигане на пълно намокряне (допълнителна таблица 2).
емблема на университета, буквата b, c под формата на мълния.Абсорбиращата област е покрита с набор от колони с D = l = 25 µm.d, увеличени изображения на ребра в e (c).Скалите на (a–c) и (d, e) са съответно 5 mm и 500 µm.На (c–e) малки капчици на повърхността след адсорбция се превръщат във вода в резултат на реакцията между галиев оксид и HCl пари.Не се наблюдава значим ефект от образуването на вода върху омокрянето.Водата се отстранява лесно чрез прост процес на сушене.
Поради течния характер на EGaIn, Cu/PDMS с покритие от EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) може да се използва за гъвкави и разтегливи електроди.Фигура 5а сравнява промените в съпротивлението на оригиналния Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS при различни натоварвания.Съпротивлението на Cu/PDMS нараства рязко при опън, докато съпротивлението на EGaIn/Cu/PDMS остава ниско при опън.На фиг.5b и d показват SEM изображения и съответните EMF данни на необработени Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS преди и след прилагане на напрежение.За непокътнати Cu/PDMS, деформацията може да причини пукнатини в твърдия Cu филм, отложен върху PDMS, поради несъответствие на еластичността.За разлика от това, за EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn все още покрива добре Cu/PDMS субстрата и поддържа електрическа непрекъснатост без никакви пукнатини или значителна деформация дори след прилагане на напрежение.Данните от EDS потвърждават, че галият и индият от EGaIn са равномерно разпределени върху Cu/PDMS субстрата.Трябва да се отбележи, че дебелината на филма EGaIn е еднаква и сравнима с височината на колоните. Това се потвърждава и от по-нататъшен топографски анализ, където относителната разлика между дебелината на EGaIn филма и височината на стълба е <10% (допълнителна фигура 8 и таблица 3). Това се потвърждава и от по-нататъшен топографски анализ, където относителната разлика между дебелината на EGaIn филма и височината на стълба е <10% (допълнителна фигура 8 и таблица 3). Това също се потвърждава от по-нататъшния топографски анализ, където относителната разлика между дебелината на EGaIn и височината на масата е <10% (допълнителна рисунка 8 и таблица 3). Това също се потвърждава от допълнителен топографски анализ, където относителната разлика между дебелината на филма EGaIn и височината на колоната е <10% (допълнителна фигура 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%（补充图8 和表3). <10% Това също беше потвърдено с по-нататъшен топографски анализ, където относителната разлика между дебелината на EGaIn и височината на масата съставляваше <10% (допълнителна рисунка 8 и таблица 3). Това беше потвърдено и от по-нататъшен топографски анализ, където относителната разлика между дебелината на EGaIn филма и височината на колоната беше <10% (допълнителна фигура 8 и таблица 3).Това овлажняване, базирано на поглъщане, позволява дебелината на покритията от EGaIn да бъде добре контролирана и поддържана стабилна върху големи площи, което иначе е предизвикателство поради течната си природа.Фигури 5c и e сравняват проводимостта и устойчивостта на деформация на оригиналния Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS.В демонстрацията светодиодът се включва, когато е свързан към недокоснати Cu/PDMS или EGaIn/Cu/PDMS електроди.Когато непокътнатият Cu/PDMS се разтегне, светодиодът изгасва.Въпреки това, електродите EGaIn/Cu/PDMS остават електрически свързани дори при натоварване и LED светлината само леко затъмнява поради увеличеното съпротивление на електрода.
a Нормализираното съпротивление се променя с увеличаване на натоварването на Cu/PDMS и EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM изображения и анализ на енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDS) преди (отгоре) и след (отдолу) полидиплекси, заредени в (b) Cu/PDMS и (d) EGaIn/Cu/метилсилоксан.c, e светодиоди, прикрепени към (c) Cu/PDMS и (e) EGaIn/Cu/PDMS преди (отгоре) и след (отдолу) разтягане (~30% напрежение).Скалата в (b) и (d) е 50 µm.
На фиг.6а показва устойчивостта на EGaIn/Cu/PDMS като функция на деформация от 0% до 70%.Увеличаването и възстановяването на съпротивлението е пропорционално на деформацията, което е в добро съответствие със закона на Пуйе за несвиваеми материали (R/R0 = (1 + ε)2), където R е съпротивление, R0 е първоначално съпротивление, ε е деформация 43. Други проучвания показват, че когато са разтегнати, твърдите частици в течна среда могат да се пренаредят и да станат по-равномерно разпределени с по-добра кохезия, като по този начин намаляват увеличаването на съпротивлението 43, 44 . В тази работа обаче проводникът е >99% течен метал по обем, тъй като Cu филмите са с дебелина само 100 nm. В тази работа обаче проводникът е >99% течен метал по обем, тъй като Cu филмите са с дебелина само 100 nm. Въпреки това, в тази работа проводникът се състои от >99% течен метал по обем, тъй като фолиото Cu има дебелина само 100 nm. Въпреки това, в тази работа проводникът се състои от> 99% течен метал по обем, тъй като Cu филмите са с дебелина само 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% 的液态金属（按体积计）。然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99%Въпреки това, в тази работа, тъй като Cu филмът е с дебелина само 100 nm, проводникът се състои от повече от 99% течен метал (по обем).Следователно не очакваме Cu да има значителен принос за електромеханичните свойства на проводниците.
Нормализирана промяна в устойчивостта на EGaIn/Cu/PDMS спрямо деформация в диапазона 0–70%.Максималното напрежение, достигнато преди повредата на PDMS, беше 70% (допълнителна фигура 9).Червените точки са теоретични стойности, предвидени от закона на Puet.b Тест за стабилност на проводимост EGaIn/Cu/PDMS по време на повтарящи се цикли разтягане-разтягане.30% щам се използва в цикличния тест.Мащабната лента на вложката е 0,5 cm.L е първоначалната дължина на EGaIn/Cu/PDMS преди разтягане.
Коефициентът на измерване (GF) изразява чувствителността на сензора и се определя като съотношението на промяната в съпротивлението към промяната в деформацията45.GF нараства от 1,7 при 10% деформация до 2,6 при 70% деформация поради геометричната промяна на метала.В сравнение с други тензодатчици, стойността на GF EGaIn/Cu/PDMS е умерена.Като сензор, въпреки че GF може да не е особено висок, EGaIn/Cu/PDMS показва стабилна промяна на съпротивлението в отговор на натоварване с ниско съотношение сигнал/шум.За да се оцени стабилността на проводимостта на EGaIn/Cu/PDMS, електрическото съпротивление се наблюдава по време на повтарящи се цикли на разтягане-разтягане при 30% напрежение.Както е показано на фиг.6b, след 4000 цикъла на разтягане стойността на съпротивлението остава в рамките на 10%, което може да се дължи на непрекъснатото образуване на мащаб по време на повтарящи се цикли на разтягане46.По този начин бяха потвърдени дългосрочната електрическа стабилност на EGaIn/Cu/PDMS като разтеглив електрод и надеждността на сигнала като тензодатчик.
В тази статия обсъждаме подобрените омокрящи свойства на GaLM върху микроструктурирани метални повърхности, причинени от инфилтрация.Спонтанно пълно намокряне на EGaIn се постига върху колонни и пирамидални метални повърхности в присъствието на HCl пари.Това може да се обясни числено въз основа на модела на Wenzel и процеса на изпичане, който показва размера на пост-микроструктурата, необходима за индуцирано от изпичане намокряне.Спонтанното и селективно намокряне на EGaIn, ръководено от микроструктурирана метална повърхност, прави възможно нанасянето на равномерни покрития върху големи площи и образуването на шарки от течен метал.Покритите с EGaIn Cu/PDMS субстрати запазват електрически връзки дори когато са разтегнати и след многократни цикли на разтягане, както е потвърдено от SEM, EDS и измервания на електрическо съпротивление.В допълнение, електрическото съпротивление на Cu/PDMS, покрито с EGaIn, се променя обратимо и надеждно пропорционално на приложеното напрежение, което показва потенциалното му приложение като сензор за напрежение.Възможните предимства, осигурени от принципа на омокряне с течен метал, причинени от поглъщане, са следните: (1) GaLM покритие и моделиране могат да бъдат постигнати без външна сила;(2) Намокрянето на GaLM върху покритата с мед повърхност на микроструктурата е термодинамично.полученият GaLM филм е стабилен дори при деформация;(3) промяната на височината на покритата с мед колона може да образува GaLM филм с контролирана дебелина.В допълнение, този подход намалява количеството GaLM, необходимо за образуване на филма, тъй като стълбовете заемат част от филма.Например, когато се въведе масив от стълбове с диаметър 200 μm (с разстояние между стълбовете 25 μm), обемът на GaLM, необходим за образуване на филм (~9 μm3/μm2), е сравним с обема на филма без стълбове.(25 µm3/µm2).В този случай обаче трябва да се има предвид, че теоретичното съпротивление, оценено съгласно закона на Пует, също се увеличава девет пъти.Като цяло уникалните омокрящи свойства на течните метали, обсъдени в тази статия, предлагат ефективен начин за отлагане на течни метали върху различни субстрати за разтеглива електроника и други нововъзникващи приложения.
PDMS субстратите се приготвят чрез смесване на матрица Sylgard 184 (Dow Corning, САЩ) и втвърдител в съотношения 10:1 и 15:1 за тестове за опън, последвано от втвърдяване в пещ при 60°C.Мед или силиций се отлагат върху силициеви пластини (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Република Корея) и PDMS субстрати с титанов адхезивен слой с дебелина 10 nm, като се използва персонализирана система за разпръскване.Колонни и пирамидални структури се отлагат върху PDMS субстрат с помощта на фотолитографски процес на силиконова пластина.Ширината и височината на пирамидалния модел са съответно 25 и 18 µm.Височината на модела на лентата беше фиксирана на 25 µm, 10 µm и 1 µm, а диаметърът и стъпката му варираха от 25 до 200 µm.
Ъгълът на контакт на EGaIn (галий 75,5%/индий 24,5%,>99,99%, Sigma Aldrich, Република Корея) беше измерен с помощта на анализатор с форма на капка (DSA100S, KRUSS, Германия). Ъгълът на контакт на EGaIn (галий 75,5%/индий 24,5%,>99,99%, Sigma Aldrich, Република Корея) беше измерен с помощта на анализатор с форма на капка (DSA100S, KRUSS, Германия). Краевият ъгъл EGaIn (галий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Република Корея) е измерен с помощта на каплевиден анализатор (DSA100S, KRUSS, Германия). Крайният ъгъл на EGaIn (галий 75,5%/индий 24,5%,>99,99%, Sigma Aldrich, Република Корея) беше измерен с помощта на капков анализатор (DSA100S, KRUSS, Германия). 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（DSA100S，KRUSS，德国）测量。 EGaIn (галий75,5%/индий24,5%,>99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) беше измерен с помощта на контактен анализатор (DSA100S, KRUSS, Германия). Краевият ъгъл EGaIn (галий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Република Корея) се измерва с помощта на анализатора на формата на капли (DSA100S, KRUSS, Германия). Ъгълът на ръба на EGaIn (галий 75,5%/индий 24,5%,>99,99%, Sigma Aldrich, Република Корея) беше измерен с помощта на анализатор на капачката на формата (DSA100S, KRUSS, Германия).Поставете субстрата в стъклена камера с размери 5 cm × 5 cm × 5 cm и поставете 4–5 μl капка EGaIn върху субстрата с помощта на спринцовка с диаметър 0,5 mm.За да се създаде среда с пари на HCl, 20 μL разтвор на HCl (37 тегл.%, Samchun Chemicals, Република Корея) се поставят до субстрата, който се изпарява достатъчно, за да запълни камерата в рамките на 10 s.
Повърхността е заснета с помощта на SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Република Корея).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Република Корея) беше използван за изследване на елементарен качествен анализ и разпространение.Повърхностната топография на EGaIn/Cu/PDMS беше анализирана с помощта на оптичен профилометър (The Profilm3D, Filmetrics, САЩ).
За да се изследва промяната в електрическата проводимост по време на цикли на разтягане, пробите със и без EGaIn бяха захванати върху оборудването за разтягане (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Република Корея) и бяха електрически свързани към измервателен уред Keithley 2400. За да се изследва промяната в електрическата проводимост по време на цикли на разтягане, пробите със и без EGaIn бяха захванати върху оборудването за разтягане (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Република Корея) и бяха електрически свързани към измервателен уред Keithley 2400. За изследване на промените на електропроводността по време на цикъла на разтягане образци с EGaIn и без него са закрепени към оборудването за разтягане (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Република Корея) и електрически включени към измерителя на източника Keithley 2400. За да се изследва промяната в електрическата проводимост по време на цикли на разтягане, пробите със и без EGaIn бяха монтирани на оборудване за разтягане (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Република Корея) и електрически свързани към измервателен уред Keithley 2400.За изследване на промяната в електрическата проводимост по време на цикли на разтягане, пробите със и без EGaIn бяха монтирани на устройство за разтягане (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Република Корея) и електрически свързани към Keithley 2400 SourceMeter.Измерва промяната в съпротивлението в диапазона от 0% до 70% от напрежението на пробата.За теста за стабилност, промяната в съпротивлението беше измерена за 4000 30% цикъла на деформация.
За повече информация относно дизайна на изследването вижте резюмето на проучването Nature, свързано с тази статия.
Данните, подкрепящи резултатите от това проучване, са представени във файловете с допълнителна информация и необработени данни.Тази статия предоставя оригиналните данни.
Daeneke, T. et al.Течни метали: химическа основа и приложения.химически.общество.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Атрибути, производство и приложения на базирани на галий течни метални частици. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Атрибути, производство и приложения на базирани на галий течни метални частици.Lin, Y., Genzer, J. и Dickey, MD Свойства, производство и приложение на течни метални частици на основата на галий. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD 镓基液态金属颗粒的属性、制造和应用。 Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MDLin, Y., Genzer, J. и Dickey, MD Свойства, производство и приложение на течни метални частици на основата на галий.Напреднала наука.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Към вериги с изцяло мека материя: прототипи на квазитечни устройства с мемристорни характеристики. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Към вериги с изцяло мека материя: прототипи на квазитечни устройства с мемристорни характеристики.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD и Velev, OD Към схеми, съставени изцяло от мека материя: Прототипи на квазитечни устройства с мемристорни характеристики. 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 & Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD и Velev, OD Към вериги Цялата мека материя: прототипи на квази-флуидни устройства с мемристорни свойства.Разширена алма матер.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Превключватели от течен метал за щадяща околната среда електроника. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Превключватели от течен метал за щадяща околната среда електроника.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Превключватели от течен метал за екологична електроника. 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, Землянов, DY & Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Превключватели от течен метал за екологична електроника.Разширена алма матер.Интерфейс 4, 1600913 (2017).
И така, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ректификация на йонен ток в диоди от мека материя с електроди от течен метал. И така, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ректификация на йонен ток в диоди от мека материя с електроди от течен метал. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Йонно изпаряване на тока в диоди от мек материал с електродами от течен метал. Така JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ректификация на йонен ток в диоди от мек материал с електроди от течен метал. И така, 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。 И така, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Йонно изпаряване на тока в диоди от мек материал с жидкометални електродами. Така JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ректификация на йонен ток в диоди от мек материал с електроди от течен метал.Разширени възможности.Алма матер.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Нанофабрикации за изцяло меки и електронни устройства с висока плътност, базирани на течен метал. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Нанофабрикации за изцяло меки и електронни устройства с висока плътност, базирани на течен метал.Kim, M.-G., Brown, DK и Brand, O. Nanofabrication за изцяло меки и течни метални електронни устройства с висока плътност.Kim, M.-G., Brown, DK и Brand, O. Нанофабрикация на изцяло мека електроника с висока плътност, базирана на течен метал.Национална комуна.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn е разтегателна електронна обвивка за интерактивна електроника и CT локализация.Алма матер.Ниво.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted електроника: ултратънка разтеглива Ag–In–Ga E-кожа за биоелектроника и взаимодействие човек-машина. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted електроника: ултратънка разтеглива Ag–In–Ga E-кожа за биоелектроника и взаимодействие човек-машина.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. и Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga ултратънка разтеглива електронна кожа за биоелектроника и взаимодействие човек-машина. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted електроника: ултратънка разтеглива Ag-In-Ga E-кожа за биоелектроника и взаимодействие човек-машина. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted електроника: ултратънка разтеглива Ag-In-Ga E-кожа за биоелектроника и взаимодействие човек-машина.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. и Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga ултратънка разтеглива електронна кожа за биоелектроника и взаимодействие човек-машина.ACS
Yang, Y. et al.Изключително здрави и конструирани трибоелектрични наногенератори на базата на течни метали за носима електроника.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Разработване на микроканални структури за сензори за свръхразтягане на базата на течни метали при стайна температура.науката.Доклад 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.Супереластични композитни влакна EGaIn могат да издържат 500% напрежение на опън и имат отлична електрическа проводимост за носима електроника.ACS се отнася до алма матер.Интерфейс 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Директно окабеляване на евтектичен галий-индий към метален електрод за меки сензорни системи. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Директно окабеляване на евтектичен галий-индий към метален електрод за меки сензорни системи.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. и Bae, J. Директно свързване на евтектичен галий-индий към метални електроди за меки сензорни системи. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & 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галий-индиев метален електрод, директно прикрепен към мека сензорна система.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. и Bae, J. Директно свързване на евтектичен галий-индий към метални електроди за меки сензорни системи.ACS се отнася до алма матер.Интерфейси 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Напълнени с течен метал магнитореологични еластомери с положително пиезоелектричество.Национална комуна.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Силно чувствителни и разтегливи многоизмерни тензодатчици с перколационни решетки от предварително напрегнати анизотропни метални нанопроводници.Нанолети.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Универсално автономен самовъзстановяващ се еластомер с висока разтегливост. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Универсално автономен самовъзстановяващ се еластомер с висока разтегливост.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. и Zhang, L. Многофункционален самовъзстановяващ се еластомер с висока еластичност. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & 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. & Zhang, L.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. и Zhang L. Многофункционални офлайн самовъзстановяващи се еластомери с висока якост на опън.Национална комуна.11, 1–9 (2020).
Zhu X. и др.Ултраизтеглени метални проводими влакна, използващи сърцевини от течна метална сплав.Разширени възможности.Алма матер.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. et al.Изследване на електрохимично пресоване на течна метална тел.ACS се отнася до алма матер.Интерфейс 12, 31010–31020 (2020).
Лий Х. и др.Индуцирано от изпаряване синтероване на капчици течен метал с бионановлакна за гъвкава електрическа проводимост и чувствително задействане.Национална комуна.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD и др.Евтектичен галий-индий (EGaIn): течна метална сплав, използвана за образуване на стабилни структури в микроканали при стайна температура.Разширени възможности.Алма матер.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Мека роботика, базирана на течен метал: материали, дизайни и приложения. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Мека роботика, базирана на течен метал: материали, дизайни и приложения.Wang, X., Guo, R. и Liu, J. Мека роботика, базирана на течен метал: материали, конструкция и приложения. Wang, X., Guo, R. & 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. Меки роботи, базирани на течен метал: материали, дизайн и приложения.Wang, X., Guo, R. и Liu, J. Меки роботи, базирани на течен метал: материали, конструкция и приложения.Разширена алма матер.технология 4, 1800549 (2019).