深圳大学王奔 AFM：提高液态金属对衬底粘附力通过直接书写构造柔性器件与机器人

2024-11-27 来源：高分子科技

液态金属具有高表面张力的特性，会使得其容易在多数表面形成球状，难以打印连续复杂图案，获得高分辨率电路。此外，液态金属具有低附着力的特性，使其难以粘附在许多常见材料（如Ecoflex和纸张）上。因此，开发出有效改善液态金属对衬底材料粘附力弱的特性的油墨，对于液态金属实现增材制造显得至关重要。

近日，深圳大学王奔在Advanced Functional Materials上发表了一篇题为“Directly Printable and Adhesive Liquid Metal Ink for Wearable Devices”的研究论文。文章提出，通过加入SiO₂颗粒与液态金属混合制备LMS油墨，可以有效改善液态金属油墨对衬底材料的弱附着力，同时实现“双循环”回收效果。此外，制备的油墨在储存一段时间后仍可直接书写，性能不受影响。为直观展示LMS油墨对不同衬底材料（如纸张、玻璃、PET、PVC、PDMS、PI等）的粘附性能，研究团队通过直接书写的方式绘制了一系列图案。LMS油墨的“双循环”效果体现在两方面：一是液态金属油墨本身可回收利用，二是书写后的图案可通过擦除回收油墨，并重新注入打印机针筒进行重复书写（图1）。论文第一作者为深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生陈文富，通讯作者为王奔副教授。

图1 LMS油墨通过柔性电子打印机实现图案书写和制造可穿戴器件。

本研究通过加入SiO₂颗粒与液态金属在机械搅拌下混合制备LMS油墨，有效改善了液态金属对衬底材料的弱粘附力。在柔性电子打印机上用LMS油墨书写“SZU”图案后，可通过蘸取无水乙醇擦除图案，实现油墨回收。由于搅拌为物理过程，SiO₂颗粒通过物理附着被液态金属表面的氧化层包裹。加入盐酸可溶解氧化层，从而分离SiO₂颗粒与液态金属，实现液态金属的回收。通过在Ecoflex衬底上直接书写电路图案，LMS油墨成功构建了可穿戴应变传感器，用于监测人体生理信号、传递摩斯电码求助信息以及实现人机交互功能（图2）。

图2 LMS油墨的形态特性、流变学测试及柔性电子打印机的直写效果显示。

将液态金属与SiO₂颗粒混合后可制备膏状LMS油墨。从图2b可以看出，液态金属与氧化镓层接触，消耗氧化镓层。由于搅拌过程中暴露在空气中，镓元素与氧气反应，形成新的氧化镓层。图2c、2d、2e的SEM图像显示，SiO₂颗粒表面光滑，而LMS油墨中的SiO₂颗粒被氧化镓覆盖，说明搅拌过程中氧化层的持续形成有效增强了液态金属的附着力。流变学测试表明，LMS油墨的高储能模量有利于打印直线并保持图案稳定性，剪切速率增加时，油墨附着力降低，可顺利从针筒中流出。视频1显示，LMS油墨可实现直线书写，无液滴聚集，而LM油墨则出现液滴聚集现象，证明LMS油墨适用于直接书写，实现增材制造。

图3 LMS油墨的印刷特性及图案书写。

为了直观了解LMS油墨在Ecoflex衬底上的粘附效果，示意图显示LMS油墨从点胶针筒挤出后，与Ecoflex接触，在空气中形成新的氧化层，增强附着力。通过在Ecoflex上书写测试线，打印精度可达165.80 μm。视频2展示了柔性电子打印机打印线条的过程。研究表明，针头内径、打印速度、挤出压力等参数影响书写精度，调控这些参数可优化打印效果。实验表明，挤压压力在150 ~ 160 kPa，打印速度为1 ~ 2 mm/s时效果最佳。为了展示LMS油墨在不同材料上的适用性，实验在纸张、玻璃、PET、PVC、PDMS、PI等基材上书写图案（图3）。视频3中可见LMS油墨在PDMS基板上写入圆弧。值得注意的是，书写完“SZU”后，使用无水乙醇可擦除并回收墨水，重新注入注射器进行多次循环书写，保持高回收率。

图4 LMS油墨印刷电路构建可穿戴器件表征其的电学性能。

通过直接书写方式将LMS油墨在Ecoflex衬底上构造应变传感器，并对其传感性能进行测试，结果表明该传感器具有稳定的电学性能和良好的电信号响应（图4）。

图5 LMS油墨印制电路制备可穿戴应变传感器，用于实时监测人体各种关节运动，以及通过摩斯电码传递字母和数字等信息。

将应变传感器用于实时监测人体关节微小运动，并通过莫尔斯电码传递求助信息（图5）。

图6 LMS油墨通过书写电路图案用于构建具有可拉伸的柔性器件将其用于实现实时的人机交互功能。

作者设计电路图案，构造出可拉伸柔性LED器件，并将可穿戴应变传感器制成人体感应手套，实现机械手同步手势控制与人机交互功能（图6）。

本研究将液态金属油墨与低成本SiO₂微颗粒（10 μm）结合，制备出具有可回收和可重写特性的LMS油墨，有效降低了制造成本。利用该油墨进行图案书写和电路设计，构造出可穿戴应变传感器，可用于监测人体关节微弱运动信号、通过摩斯电码传递求助信息，以及实现人机交互功能。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202411647

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（责任编辑：xu）

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