哈工大齐殿鹏教授Sci China Mater综述 | 从液态金属到柔性电子器件：克服表面张力

近日，哈尔滨工业大学化工与化学学院齐殿鹏教授团队的综述文章“From liquid metal to stretchable electronics: Overcoming the surface tension”在 Science China Materials (SCMs)期刊在线发表，总结了近年来通过克服表面张力使液态金属可拉伸电子器件化的研究进展。

液态金属（LMs）是在室温下同时具备金属导电性以及液体延展性的金属。不同于广为人知的金属汞，镓及其合金因其低毒性和超低蒸汽压而具备在可拉伸电子领域被广泛应用的潜力。可拉伸电子器件是指在被拉长的条件下保持其功能的电路和电子元件，这种器件在许多现有芯片技术无法实现的系统中大放异彩，并且可以弥补传统电子设备的不足，例如辅助和替代传统的生理检测系统等。这类器件同时对材料的高导电性和高延展性提出了要求，而液态金属十分契合这两个重要特性。然而，在使液态金属可拉伸电子器件化的过程中存在一个天然的阻碍，即液态金属的高表面张力（＞600 mN/m）。其高表面张力阻止液态金属润湿大多数表面，并支持其自发形成球形液滴的倾向，进而难以形成电子器件要求的图案。

该文从克服液态金属表面张力的角度出发，将液态金属的成型方式分为利用宏观机械力、改变颗粒尺寸、相变及改变润湿特性这四个策略。克服了表面张力的阻碍后，液态金属在传感、能量收集等方面有巨大的应用前景。此外，该文还讨论了目前该领域存在的挑战和机遇。

图1 克服液态金属表面张力的四种策略及其成型的难易程度

图文要点

液态金属及其氧化层

液态金属在含有微量氧气的环境中就会被氧化，形成0.5–5 nm的自限的氧化层，获得保持非球面形状的能力。

图2  液态金属及其氧化层的性质

（1）使用宏观机械力

宏观机械力在此特指用来限制液态金属表面张力，使其保持非球形状的力。研究人员通过小直径的通道将液态金属挤出或吸收，在氧化层的帮助下形成明显超过瑞利极限的圆柱体形状。

图3  3D打印成型液态金属 

图4  半开放式通道填充和微通道注射法成型液态金属

（2）减小颗粒尺寸

使用超声和剪切等自上而下的方法将液态金属从一个大的液滴分割成许多微米级或纳米级的液滴，并保证其粒度分布相对均匀。氧化层或其他人工形成的表面修饰将暂时阻止液滴的重新结合。可拉伸电子设备的图案可以通过排列这些液滴来绘制，这相当于通过减小粒径以增加比表面积（增加氧化层比例）进而降低表面张力。

图5  减小粒径使液态金属成型

（3）相变

由于液态金属的低熔点（不超过16 ℃），采取冷冻相变使液态金属凝固加强了内部分子与表面分子的结合力，能更彻底地克服液态金属的表面张力。改变相位作为一种辅助方法，与使用机械外力的方法相结合，可有效增强液态金属在成型过程中的稳定性。

（4）改变润湿特性

除了某些特定材料的表面（金、铜、锡等）可以润湿外，使用施加电压等方法也可以改变液态金属的润湿特性，使其在基材表面扩散，在此基础上可以制造出可拉伸的电子设备。

图6  冷冻相变及改变润湿特性使液态金属成型

总结和展望

虽然基于液态金属的成型技术及其应用的研究在过去十几年中得到快速发展，但是在这些电子设备被广泛应用前，仍有一些挑战亟待解决。

首先，液态金属能在可拉伸电子领域得到广泛应用，很大程度上取决于其流体特性，单纯使用弹性体封装液态金属，通常不存在泄漏的风险。尽管如此，在需要外部导体连接电子设备的电路中，无论是作为导体还是电子设备，液态金属被弹性体覆盖的结构都需要与其他导体接触。如果用刚性导体来接触，由于液态金属的流体性质，刚性导体需要植入弹性体。弹性体和刚性导体之间的杨氏模量相差几个数量级，这导致在工作过程中容纳刚性导体的弹性体通道被扩大，有泄露的风险。如果利用水凝胶等可拉伸导体作为触点，由于其阻值相对较大，设备的性能会有较大损失。因此，适当的连接方法仍有待开发。

其次，液态金属在一些特定材料的光滑表面上显示出良好的铺展性能，如金、锌和铜。良好的铺展性能来自于液态金属对这些材料的吸收。液态金属会进入材料的晶格，使其产生脆性。然而，在液态金属吸收这些元素后，其氧化层的性质是否发生变化，是否能保持原来的形状，仍有待研究。由这些材料制成的电子器件的使用寿命和稳定性也值得关注。

最后，关于液态金属内部氧化层的动力学的许多问题都值得讨论，这将实现对氧化层更精确和全面的调控，并大大扩展液态金属在可拉伸电子器件中的应用。

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Yang et al. From liquid metal to stretchable electronics: Overcoming the surface tension. Science China Materials. 

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-021-2023-x