Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
Här demonstrerar vi de imbitionsinducerade, spontana och selektiva vätningsegenskaperna hos galliumbaserade flytande metallegeringar på metalliserade ytor med topografiska egenskaper i mikroskala.Galliumbaserade flytande metallegeringar är fantastiska material med enorm ytspänning.Därför är det svårt att forma dem till tunna filmer.Fullständig vätning av den eutektiska legeringen av gallium och indium uppnåddes på den mikrostrukturerade kopparytan i närvaro av HCl-ångor, som avlägsnade den naturliga oxiden från den flytande metallegeringen.Denna vätning förklaras numeriskt utifrån Wenzel-modellen och osmosprocessen, vilket visar att mikrostrukturstorleken är avgörande för effektiv osmosinducerad vätning av flytande metaller.Dessutom visar vi att spontan vätning av flytande metaller selektivt kan riktas längs mikrostrukturerade regioner på en metallyta för att skapa mönster.Denna enkla process täcker och formar flytande metall jämnt över stora ytor utan yttre kraft eller komplicerad hantering.Vi har visat att flytande metallmönstrade substrat bibehåller elektriska anslutningar även när de sträcks och efter upprepade cykler av sträckning.
Galliumbaserade flytande metallegeringar (GaLM) har väckt stor uppmärksamhet på grund av sina attraktiva egenskaper såsom låg smältpunkt, hög elektrisk ledningsförmåga, låg viskositet och flöde, låg toxicitet och hög deformerbarhet1,2.Rent gallium har en smältpunkt på cirka 30 °C, och när det smälts samman i eutektiska kompositioner med vissa metaller som In och Sn är smältpunkten under rumstemperatur.De två viktiga GaLM är galliumindium eutektisk legering (EGaIn, 75% Ga och 25% In i vikt, smältpunkt: 15,5 °C) och gallium indium tenn eutektisk legering (GaInSn eller galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In och 10 % tenn, smältpunkt: ~11 °C)1.2.På grund av sin elektriska ledningsförmåga i vätskefasen undersöks GaLM aktivt som dragkraftiga eller deformerbara elektroniska banor för en mängd olika tillämpningar, inklusive elektroniska3,4,5,6,7,8,9 spända eller krökta sensorer 10, 11, 12 , 13, 14 och avledningar 15, 16, 17. Tillverkningen av sådana anordningar genom deponering, tryckning och mönstring från GaLM kräver kunskap och kontroll av gränsytegenskaperna hos GaLM och dess underliggande substrat.GaLM har hög ytspänning (624 mNm-1 för EGaIn18,19 och 534 mNm-1 för Galinstan20,21) vilket kan göra dem svåra att hantera eller manipulera.Bildandet av en hård skorpa av naturlig galliumoxid på GaLM-ytan under omgivande förhållanden ger ett skal som stabiliserar GaLM i en icke-sfärisk form.Denna egenskap gör att GaLM kan skrivas ut, implanteras i mikrokanaler och mönstras med den gränssnittsstabilitet som uppnås av oxider19,22,23,24,25,26,27.Det hårda oxidskalet gör att GaLM även kan fästa på de flesta släta ytor, men förhindrar lågviskösa metaller från att flöda fritt.Förökning av GaLM på de flesta ytor kräver kraft för att bryta oxidskalet28,29.
Oxidskal kan tas bort med till exempel starka syror eller baser.I frånvaro av oxider bildar GaLM droppar på nästan alla ytor på grund av deras enorma ytspänning, men det finns undantag: GaLM väter metallsubstrat.Ga bildar metalliska bindningar med andra metaller genom en process som kallas "reaktiv vätning"30,31,32.Denna reaktiva vätning undersöks ofta i frånvaro av ytoxider för att underlätta metall-till-metall-kontakt.Men även med inhemska oxider i GaLM har det rapporterats att metall-till-metall-kontakter bildas när oxider går sönder vid kontakter med släta metallytor29.Reaktiv vätning resulterar i låga kontaktvinklar och god vätning av de flesta metallsubstrat33,34,35.
Hittills har många studier utförts på användningen av de gynnsamma egenskaperna hos reaktiv vätning av GaLM med metaller för att bilda ett GaLM-mönster.Till exempel har GaLM applicerats på mönstrade solida metallbanor genom att smeta, rulla, spruta eller skuggmaskera34, 35, 36, 37, 38. Selektiv vätning av GaLM på hårdmetaller gör att GaLM kan bilda stabila och väldefinierade mönster.Den höga ytspänningen hos GaLM hindrar dock bildandet av mycket enhetliga tunna filmer även på metallsubstrat.För att ta itu med denna fråga, Lacour et al.rapporterade en metod för att producera släta, platta GaLM-tunna filmer över stora ytor genom att indunsta rent gallium på guldbelagda mikrostrukturerade substrat37,39.Denna metod kräver vakuumavsättning, vilket är mycket långsamt.Dessutom är GaLM i allmänhet inte tillåtet för sådana enheter på grund av eventuell försprödning40.Avdunstning avsätter också materialet på underlaget, så det krävs ett mönster för att skapa mönstret.Vi letar efter ett sätt att skapa smidiga GaLM-filmer och -mönster genom att designa topografiska metalldetaljer som GaLM väter spontant och selektivt i frånvaro av naturliga oxider.Här rapporterar vi den spontana selektiva vätningen av oxidfritt EGaIn (typiskt GaLM) med det unika vätningsbeteendet på fotolitografiskt strukturerade metallsubstrat.Vi skapar fotolitografiskt definierade ytstrukturer på mikronivå för att studera imbibition och därigenom kontrollera vätning av oxidfria flytande metaller.De förbättrade vätningsegenskaperna hos EGaIn på mikrostrukturerade metallytor förklaras av numerisk analys baserad på Wenzel-modellen och impregneringsprocessen.Slutligen demonstrerar vi stor yta avsättning och mönstring av EGAIn genom självabsorption, spontan och selektiv vätning på mikrostrukturerade metalldeponeringsytor.Dragelektroder och töjningsmätare som innehåller EGaIn-strukturer presenteras som potentiella tillämpningar.
Absorption är kapillärtransport där vätskan invaderar den strukturerade ytan 41, vilket underlättar spridningen av vätskan.Vi undersökte vätningsbeteendet hos EGaIn på mikrostrukturerade metallytor avsatta i HCl-ånga (Fig. 1).Koppar valdes som metall för den underliggande ytan. På plana kopparytor visade EGaIn en låg kontaktvinkel på <20° i närvaro av HCl-ånga, på grund av reaktiv vätning31 (kompletterande fig. 1). På plana kopparytor visade EGaIn en låg kontaktvinkel på <20° i närvaro av HCl-ånga, på grund av reaktiv vätning31 (kompletterande fig. 1). На плоских медных поверхностях EGAIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутствии паров HCl из-завревосид нительный рисунок 1). På plana kopparytor visade EGaIn en låg <20° kontaktvinkel i närvaro av HCl-ånga på grund av reaktiv vätning31 (kompletterande figur 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下腧內內伒礽凎牥1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 присутствии паров завис HCl из-вис полнительный рисунок 1). På plana kopparytor uppvisar EGaIn låga <20° kontaktvinklar i närvaro av HCl-ånga på grund av reaktiv vätning (kompletterande figur 1).Vi mätte de nära kontaktvinklarna för EGaIn på bulkkoppar och på kopparfilmer avsatta på polydimetylsiloxan (PDMS).
a Kolumnformade (D (diameter) = l (avstånd) = 25 µm, d (avstånd mellan kolumner) = 50 µm, H (höjd) = 25 µm) och pyramidformade (bredd = 25 µm, höjd = 18 µm) mikrostrukturer på Cu /PDMS-substrat.b Tidsberoende förändringar i kontaktvinkeln på plana substrat (utan mikrostrukturer) och uppsättningar av pelare och pyramider innehållande kopparbelagda PDMS.c, d Intervallregistrering av (c) sidovy och (d) toppvy av EGaIn-vätning på ytan med pelare i närvaro av HCl-ånga.
För att bedöma effekten av topografi på vätning, preparerades PDMS-substrat med ett kolumnärt och pyramidformigt mönster, på vilka koppar avsattes med ett titanlimskikt (Fig. 1a).Det visades att den mikrostrukturerade ytan av PDMS-substratet var konformt belagd med koppar (kompletterande fig. 2).De tidsberoende kontaktvinklarna för EGaIn på mönstrad och plan kopparförstoftad PDMS (Cu/PDMS) visas i Fig.Ib.Kontaktvinkeln för EGAIn på mönstrad koppar/PDMS sjunker till 0° inom ~1 min.Den förbättrade vätningen av EGaIn-mikrostrukturer kan utnyttjas av Wenzel-ekvationen\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), där \({\theta}_{{rough}}\) representerar kontaktvinkeln för den grova ytan, \ (r \) Ytgrovhet (= verklig area/synbar area) och kontaktvinkel på planet \({\theta}_{0}\).Resultaten av förbättrad vätning av EGaIn på de mönstrade ytorna stämmer väl överens med Wenzel-modellen, eftersom r-värdena för rygg- och pyramidformade ytor är 1,78 respektive 1,73.Detta innebär också att en EGaIn-droppe placerad på en mönstrad yta kommer att tränga in i spåren på den underliggande reliefen.Det är viktigt att notera att mycket likformiga platta filmer bildas i detta fall, till skillnad från fallet med EGaIn på ostrukturerade ytor (tilläggsbild 1).
Från fig.1c,d (Supplementary Movie 1) kan man se att efter 30 s, när den skenbara kontaktvinkeln närmar sig 0°, börjar EGaIn diffundera längre bort från kanten av droppen, vilket orsakas av absorption (Supplementary Movie 2 och Supplementary Fig. 3).Tidigare studier av plana ytor har associerat tidsskalan för reaktiv vätning med övergången från tröghet till viskös vätning.Storleken på terrängen är en av nyckelfaktorerna för att avgöra om självsugning inträffar.Genom att jämföra ytenergin före och efter uppsugningen ur en termodynamisk synvinkel härleddes den kritiska kontaktvinkeln \({\theta}_{c}\) för uppsugningen (se kompletterande diskussion för detaljer).Resultatet \({\theta}_{c}\) definieras som \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) där \({\phi}_{s}\) representerar bråkområdet överst i inlägget och \(r\ ) representerar ytjämnhet. Imbibition kan inträffa när \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs kontaktvinkeln på en plan yta. Imbibition kan inträffa när \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs kontaktvinkeln på en plan yta. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. Absorption kan ske när \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs kontaktvinkeln på en plan yta.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. Sug uppstår när \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontaktvinkel på planet.För eftermönstrade ytor beräknas \(r\) och \({\phi}_{s}\) som \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) och \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), där \(R\) representerar kolumnradien, \(H\) representerar kolumnhöjden och \ ( d\) är avståndet mellan två pelares mittpunkter (fig. 1a).För den efterstrukturerade ytan i fig.1a är vinkeln \({\theta}_{c}\) 60°, vilket är större än \({\theta}_{0}\)-planet (~25° ) i HCl-ånga Oxidfri EGaIn på Cu/PDMS.Därför kan EGaIn-droppar lätt invadera den strukturerade kopparavsättningsytan i Fig. 1a på grund av absorption.
För att undersöka effekten av mönstrets topografiska storlek på vätningen och absorptionen av EGaIn, varierade vi storleken på de kopparbelagda pelarna.På fig.2 visar kontaktvinklarna och absorptionen av EGaIn på dessa substrat.Avståndet l mellan kolonnerna är lika med diametern på kolonnerna D och sträcker sig från 25 till 200 μm.Höjden på 25 µm är konstant för alla kolumner.\({\theta}_{c}\) minskar med ökande kolumnstorlek (tabell 1), vilket innebär att absorption är mindre sannolikt på substrat med större kolumner.För alla testade storlekar är \({\theta}_{c}\) större än \({\theta}_{0}\) och uppsugning förväntas.Absorption observeras dock sällan för eftermönstrade ytor med l och D 200 µm (Fig. 2e).
en tidsberoende kontaktvinkel för EGaIn på en Cu/PDMS-yta med kolonner av olika storlekar efter exponering för HCl-ånga.b–e Ovan- och sidovyer av EGAIn-vätning.bD = 1 = 25 um, r = 1,78.i D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = 1 = 100 um, r = 1,20.eD = 1 = 200 um, r = 1,10.Alla stolpar har en höjd av 25 µm.Dessa bilder togs minst 15 minuter efter exponering för HCl-ånga.Dropparna på EGaIn är vatten som härrör från reaktionen mellan galliumoxid och HCl-ånga.Alla skalstaplar i (b – e) är 2 mm.
Ett annat kriterium för att bestämma sannolikheten för vätskeabsorption är fixeringen av vätskan på ytan efter att mönstret har applicerats.Kurbin et al.Det har rapporterats att när (1) stolparna är tillräckligt höga kommer droppar att absorberas av den mönstrade ytan;(2) avståndet mellan kolonnerna är ganska litet;och (3) kontaktvinkeln för vätskan på ytan är tillräckligt liten42.Numeriskt måste \({\theta}_{0}\) av vätskan på ett plan som innehåller samma substratmaterial vara mindre än den kritiska kontaktvinkeln för pinning, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), för absorption utan att fästa mellan inlägg, där \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (se ytterligare diskussion för detaljer).Värdet på \({\theta}_{c,{pin}}\) beror på stiftstorleken (tabell 1).Bestäm den dimensionslösa parametern L = l/H för att bedöma om absorptionen sker.För absorption måste L vara mindre än tröskelstandarden, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).För EGaIn är \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) på ett kopparsubstrat \({L}_{c}\) 5,2.Eftersom L-kolumnen på 200 μm är 8, vilket är större än värdet på \({L}_{c}\), sker ingen EGaIn-absorption.För att ytterligare testa effekten av geometri, observerade vi självsugande av olika H och l (tilläggsbild 5 och kompletterande tabell 1).Resultaten stämmer väl överens med våra beräkningar.Sålunda visar sig L vara en effektiv prediktor för absorption;flytande metall slutar absorberas på grund av stiftning när avståndet mellan pelarna är relativt stort jämfört med höjden på pelarna.
Vätbarheten kan bestämmas utifrån underlagets ytsammansättning.Vi undersökte effekten av ytsammansättning på vätning och absorption av EGaIn genom att samtidigt deponera Si och Cu på pelare och plan (kompletterande fig. 6).EGAIn-kontaktvinkeln minskar från ~160° till ~80° när den binära Si/Cu-ytan ökar från 0 till 75 % vid en platt kopparhalt.För en yta med 75 % Cu/25 % Si är \({\theta}_{0}\) ~80°, vilket motsvarar \({L}_{c}\) lika med 0,43 enligt definitionen ovan. .Eftersom kolumnerna l = H = 25 μm med L lika med 1 större än tröskelvärdet \({L}_{c}\), absorberas inte ytan med 75 % Cu/25 % Si efter mönstring på grund av immobilisering.Eftersom kontaktvinkeln för EGaIn ökar med tillsats av Si, krävs högre H eller lägre l för att övervinna stiftning och impregnering.Därför, eftersom kontaktvinkeln (dvs. \({\theta}_{0}\)) beror på ytans kemiska sammansättning, kan den också avgöra om imbibition sker i mikrostrukturen.
EgaIn-absorption på mönstrad koppar/PDMS kan väta den flytande metallen till användbara mönster.För att utvärdera det minsta antalet kolumnlinjer som orsakar imbibition, observerades vätningsegenskaperna hos EGaIn på Cu/PDMS med postmönsterlinjer som innehöll olika kolumnradnummer från 1 till 101 (Fig. 3).Vätning sker främst i området efter mönstring.EGAIn-uppsugningen observerades tillförlitligt och uppsugningslängden ökade med antalet rader av kolumner.Absorption sker nästan aldrig när det finns stolpar med två eller färre linjer.Detta kan bero på ökat kapillärtryck.För att absorption ska ske i ett kolumnärt mönster måste kapillärtrycket som orsakas av EGaIn-huvudets krökning övervinnas (tilläggsbild 7).Om man antar en krökningsradie på 12,5 µm för ett EGAIn-huvud med en rad med ett kolumnmönster, är kapillärtrycket ~0,98 atm (~740 Torr).Detta höga Laplace-tryck kan förhindra vätning orsakad av absorption av EGaIn.Dessutom kan färre rader av kolumner minska absorptionskraften som beror på kapillärverkan mellan EGaIn och kolumner.
a Droppar av EGaIn på strukturerad Cu/PDMS med mönster av olika bredder (w) i luft (före exponering för HCl-ånga).Rader med ställ från toppen: 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) och 11 (w = 525 µm).b Riktad vätning av EGaIn på (a) efter exponering för HCl-ånga i 10 min.c, d Vätning av EGaIn på Cu/PDMS med kolumnära strukturer (c) två rader (w = 75 µm) och (d) en rad (w = 25 µm).Dessa bilder togs 10 minuter efter exponering för HCl-ånga.Skalstaplar på (a, b) och (c, d) är 5 mm respektive 200 µm.Pilarna i (c) indikerar EGaIn-huvudets krökning på grund av absorption.
Absorptionen av EGaIn i postmönstrat Cu/PDMS tillåter EGaIn att bildas genom selektiv vätning (fig. 4).När en droppe EGaIn placeras på ett mönstrat område och exponeras för HCl-ånga, kollapsar EGaIn-droppen först och bildar en liten kontaktvinkel när syran tar bort skalan.Därefter börjar absorptionen från droppens kant.Mönstring med stora ytor kan uppnås från EGaIn i centimeterskala (fig. 4a, c).Eftersom absorption endast sker på den topografiska ytan, väter EGAIn endast mönsterområdet och slutar nästan att väta när det når en plan yta.Följaktligen observeras skarpa gränser för EGaIn-mönstren (Fig. 4d, e).På fig.4b visar hur EGaIn invaderar den ostrukturerade regionen, speciellt runt platsen där EGaIn-droppen ursprungligen placerades.Detta berodde på att den minsta diametern på EGaIn-dropparna som användes i denna studie överskred bredden på de mönstrade bokstäverna.Droppar EGaIn placerades på mönsterstället genom manuell injektion genom en 27-G nål och spruta, vilket resulterade i droppar med en minsta storlek på 1 mm.Detta problem kan lösas genom att använda mindre EGaIn-droppar.Sammantaget visar figur 4 att spontan vätning av EGaIn kan induceras och riktas mot mikrostrukturerade ytor.Jämfört med tidigare arbete är denna vätningsprocess relativt snabb och ingen yttre kraft krävs för att uppnå fullständig vätning (kompletterande tabell 2).
universitetets emblem, bokstaven b, c i form av en blixt.Det absorberande området är täckt med en rad kolumner med D = l = 25 µm.d, förstorade bilder av revben i e (c).Skalstaplar på (a–c) och (d, e) är 5 mm respektive 500 µm.På (c–e) förvandlas små droppar på ytan efter adsorption till vatten som ett resultat av reaktionen mellan galliumoxid och HCl-ånga.Ingen signifikant effekt av vattenbildning på vätning observerades.Vatten avlägsnas lätt genom en enkel torkningsprocess.
På grund av den flytande naturen hos EGaIn kan EGaIn-belagd Cu/PDMS (EGaIn/Cu/PDMS) användas för flexibla och töjbara elektroder.Figur 5a jämför resistansförändringarna för original Cu/PDMS och EGaIn/Cu/PDMS under olika belastningar.Resistansen hos Cu/PDMS stiger kraftigt i spänning, medan resistansen hos EGaIn/Cu/PDMS förblir låg i spänning.På fig.5b och d visar SEM-bilder och motsvarande EMF-data för rå Cu/PDMS och EGaIn/Cu/PDMS före och efter spänningstillämpning.För intakt Cu/PDMS kan deformation orsaka sprickor i den hårda Cu-filmen som avsatts på PDMS på grund av elasticitetsfel.Däremot, för EGaIn/Cu/PDMS, täcker EGaIn fortfarande Cu/PDMS-substratet väl och upprätthåller elektrisk kontinuitet utan några sprickor eller betydande deformation även efter att töjning har applicerats.EDS-data bekräftade att gallium och indium från EGaIn var jämnt fördelade på Cu/PDMS-substratet.Det är anmärkningsvärt att tjockleken på EGaIn-filmen är densamma och jämförbar med höjden på pelarna. Detta bekräftas också av ytterligare topografisk analys, där den relativa skillnaden mellan tjockleken på EGaIn-filmen och höjden på stolpen är <10 % (kompletterande figur 8 och tabell 3). Detta bekräftas också av ytterligare topografisk analys, där den relativa skillnaden mellan tjockleken på EGaIn-filmen och höjden på stolpen är <10 % (kompletterande figur 8 och tabell 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница меженди тойлис столба составляет <10 % (дополнительный рис. 8 och таблица 3). Detta bekräftas också av ytterligare topografisk analys, där den relativa skillnaden mellan EGaIn-filmtjocklek och kolonnhöjd är <10 % (kompletterande figur 8 och tabell 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兛度之间叅1% 8 和表3）. <10 % Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница межди тойжди тойжди тойжди й столба составляла <10 % (дополнительный рис. 8 och таблица 3). Detta bekräftades också genom ytterligare topografisk analys, där den relativa skillnaden mellan EGaIn-filmtjocklek och kolonnhöjd var <10 % (kompletterande figur 8 och tabell 3).Denna imbibition-baserade vätning gör att tjockleken på EGaIn-beläggningar kan kontrolleras väl och hållas stabil över stora ytor, vilket annars är utmanande på grund av dess flytande natur.Figurerna 5c och e jämför konduktiviteten och motståndet mot deformation av den ursprungliga Cu/PDMS och EGaIn/Cu/PDMS.I demon tändes lysdioden när den var ansluten till orörda Cu/PDMS- eller EGaIn/Cu/PDMS-elektroder.När intakt Cu/PDMS sträcks ut släcks lysdioden.Emellertid förblev EGaIn/Cu/PDMS-elektroderna elektriskt anslutna även under belastning, och LED-ljuset dämpades endast något på grund av det ökade elektrodmotståndet.
a Normaliserat motstånd ändras med ökande belastning på Cu/PDMS och EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM-bilder och energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) analys före (överst) och efter (botten) polydiplexer laddade i (b) Cu/PDMS och (d) EGaIn/Cu/metylsiloxan.c, e lysdioder anslutna till (c) Cu/PDMS och (e) EGaIn/Cu/PDMS före (överst) och efter (botten) stretching (~30% stress).Skalstapeln i (b) och (d) är 50 µm.
På fig.6a visar resistansen hos EGaIn/Cu/PDMS som en funktion av töjning från 0 % till 70 %.Ökningen och återhämtningen av resistans är proportionell mot deformation, vilket stämmer väl överens med Pouillets lag för inkompressibla material (R/R0 = (1 + ε)2), där R är resistans, R0 är initial resistans, ε är töjning 43. Andra studier har visat att när de sträcks kan fasta partiklar i ett flytande medium ordna om sig själva och bli jämnare fördelade med bättre kohesion, och därigenom minska ökningen av motståndet 43, 44 . I detta arbete är emellertid ledaren >99% flytande metall i volym eftersom Cu-filmerna endast är 100 nm tjocka. I detta arbete är emellertid ledaren >99% flytande metall i volym eftersom Cu-filmerna endast är 100 nm tjocka. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как пленки Cu имеюст ту 0. Men i detta arbete består ledaren av >99% flytande metall i volym, eftersom Cu-filmerna endast är 100 nm tjocka.然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有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 %Men i detta arbete, eftersom Cu-filmen bara är 100 nm tjock, består ledaren av mer än 99% flytande metall (i volym).Därför förväntar vi oss inte att Cu kommer att ge ett betydande bidrag till ledarnas elektromekaniska egenskaper.
en normaliserad förändring i EGaIn/Cu/PDMS-resistens mot töjning i intervallet 0–70 %.Den maximala spänningen som uppnåddes före fel på PDMS var 70 % (tilläggsbild 9).Röda prickar är teoretiska värden som förutspås av Puets lag.b EGaIn/Cu/PDMS konduktivitetsstabilitetstest under upprepade stretch-stretch-cykler.En 30% stam användes i det cykliska testet.Skalstången på insatsen är 0,5 cm.L är den initiala längden av EGaIn/Cu/PDMS före sträckning.
Mätfaktorn (GF) uttrycker sensorns känslighet och definieras som förhållandet mellan förändring i motstånd och förändring i töjning45.GF ökade från 1,7 vid 10 % töjning till 2,6 vid 70 % töjning på grund av metallens geometriska förändring.Jämfört med andra töjningsmätare är GF EGaIn/Cu/PDMS-värdet måttligt.Som en sensor, även om dess GF kanske inte är särskilt hög, uppvisar EGaIn/Cu/PDMS robust resistansförändring som svar på en låg signal/brusförhållandebelastning.För att utvärdera konduktivitetsstabiliteten hos EGaIn/Cu/PDMS övervakades det elektriska motståndet under upprepade stretch-sträckcykler vid 30 % töjning.Såsom visas i fig.6b, efter 4000 sträckcykler, höll sig motståndsvärdet inom 10 %, vilket kan bero på den kontinuerliga bildningen av fjäll under upprepade sträckningscykler46.Således bekräftades den långsiktiga elektriska stabiliteten hos EGaIn/Cu/PDMS som en töjbar elektrod och tillförlitligheten hos signalen som en töjningsmätare.
I den här artikeln diskuterar vi de förbättrade vätningsegenskaperna hos GaLM på mikrostrukturerade metallytor orsakade av infiltration.Spontan fullständig vätning av EGaIn uppnåddes på kolumnformiga och pyramidformade metallytor i närvaro av HCl-ånga.Detta kan förklaras numeriskt utifrån Wenzel-modellen och uppsugningsprocessen, som visar storleken på den post-mikrostruktur som krävs för uppsugningsinducerad vätning.Spontan och selektiv vätning av EGAIn, styrd av en mikrostrukturerad metallyta, gör det möjligt att applicera enhetliga beläggningar över stora ytor och bilda flytande metallmönster.EGaIn-belagda Cu/PDMS-substrat behåller elektriska anslutningar även när de sträcks och efter upprepade sträckcykler, vilket bekräftas av SEM, EDS och elektriska resistansmätningar.Dessutom ändras den elektriska resistansen hos Cu/PDMS belagd med EGaIn reversibelt och tillförlitligt i proportion till den applicerade töjningen, vilket indikerar dess potentiella tillämpning som en töjningssensor.Möjliga fördelar som tillhandahålls av vätningsprincipen för flytande metall orsakad av imbibition är följande: (1) GaLM-beläggning och mönstring kan uppnås utan yttre kraft;(2) GaLM-vätning på den kopparbelagda mikrostrukturytan är termodynamisk.den resulterande GaLM-filmen är stabil även under deformation;(3) ändring av höjden på den kopparbelagda kolonnen kan bilda en GaLM-film med kontrollerad tjocklek.Dessutom minskar detta tillvägagångssätt mängden GaLM som behövs för att bilda filmen, eftersom pelarna upptar en del av filmen.Till exempel, när en array av pelare med en diameter på 200 μm (med ett avstånd mellan pelarna på 25 μm) introduceras, är volymen GaLM som krävs för filmbildning (~9 μm3/μm2) jämförbar med filmvolymen utan pelare.(25 µm3/µm2).Men i det här fallet måste man ta hänsyn till att det teoretiska motståndet, uppskattat enligt Puets lag, också ökar nio gånger.Sammantaget erbjuder de unika vätningsegenskaperna hos flytande metaller som diskuteras i den här artikeln ett effektivt sätt att avsätta flytande metaller på en mängd olika substrat för töjbar elektronik och andra nya tillämpningar.
PDMS-substrat framställdes genom att blanda Sylgard 184-matris (Dow Corning, USA) och härdare i förhållandena 10:1 och 15:1 för dragprov, följt av härdning i en ugn vid 60°C.Koppar eller kisel avsattes på kiselskivor (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republiken Korea) och PDMS-substrat med ett 10 nm tjockt titanlimskikt med hjälp av ett anpassat sputtersystem.Kolumnformiga och pyramidformiga strukturer deponeras på ett PDMS-substrat med hjälp av en fotolitografisk process av kiselskivor.Det pyramidformade mönstrets bredd och höjd är 25 respektive 18 µm.Stångmönstrets höjd fixerades till 25 µm, 10 µm och 1 µm, och dess diameter och stigning varierade från 25 till 200 µm.
Kontaktvinkeln för EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republiken Korea) mättes med användning av en droppformsanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Kontaktvinkeln för EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republiken Korea) mättes med användning av en droppformsanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощолевидна капомощоднакапа,0 KRUSS, Tyskland). Kantvinkeln för EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republiken Korea) mättes med användning av en droppanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). EGaIn（镓75.5%/铟24.5%，>99.99%，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形分枼伌徵分枼伌徵S量. EGaIn (gallium75,5%/indium24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) mättes med användning av en kontaktanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощрафиса 0,0 SS, Tyskland). Kantvinkeln för EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republiken Korea) mättes med användning av en formkapsanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland).Placera substratet i en 5 cm × 5 cm × 5 cm glaskammare och placera en 4–5 μl droppe EGAIn på substratet med en 0,5 mm diameter spruta.För att skapa ett HCl-ångmedium placerades 20 μL HCl-lösning (37 viktprocent, Samchun Chemicals, Republiken Korea) bredvid substratet, som förångades tillräckligt för att fylla kammaren inom 10 s.
Ytan avbildades med hjälp av SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republiken Korea).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republiken Korea) användes för att studera elementär kvalitativ analys och distribution.EGaIn/Cu/PDMS-yttopografin analyserades med en optisk profilometer (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
För att undersöka förändringen i elektrisk ledningsförmåga under sträckningscykler, klämdes proverna med och utan EGaIn på sträckningsutrustningen (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republiken Korea) och kopplades elektriskt till en Keithley 2400 källmätare. För att undersöka förändringen i elektrisk ledningsförmåga under sträckningscykler, klämdes proverna med och utan EGaIn på sträckningsutrustningen (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republiken Korea) och kopplades elektriskt till en Keithley 2400 källmätare. Для исследования изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без негнао залиор ия (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) och электрически подключали измерителю источника Keithley 2400. För att studera förändringen i elektrisk ledningsförmåga under sträckningscykler monterades prover med och utan EGaIn på en sträckningsutrustning (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republiken Korea) och kopplades elektriskt till en Keithley 2400 källmätare.För att studera förändringen i elektrisk ledningsförmåga under sträckningscykler monterades prover med och utan EGaIn på en sträckningsanordning (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republiken Korea) och kopplades elektriskt till en Keithley 2400 SourceMeter.Mäter förändringen i resistans i intervallet från 0 % till 70 % av provstammen.För stabilitetstestet uppmättes förändringen i motstånd under 4000 30% töjningscykler.
För mer information om studiedesign, se Nature study abstract länkat till den här artikeln.
Data som stöder resultaten av denna studie presenteras i kompletterande information och rådatafiler.Den här artikeln innehåller de ursprungliga uppgifterna.
Daeneke, T. et al.Flytande metaller: kemisk grund och tillämpningar.Kemisk.samhälle.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attribut, tillverkning och tillämpningar av galliumbaserade flytande metallpartiklar. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attribut, tillverkning och tillämpningar av galliumbaserade flytande metallpartiklar.Lin, Y., Genzer, J. och Dickey, MD Egenskaper, tillverkning och applicering av galliumbaserade flytande metallpartiklar. 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. och Dickey, MD Egenskaper, tillverkning och applicering av galliumbaserade flytande metallpartiklar.Avancerad vetenskap.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Mot kretsar för all mjuk materia: prototyper av kvasi-vätskeenheter med memristoregenskaper. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Mot kretsar av mjuk materia: prototyper av kvasi-vätskeenheter med memristoregenskaper.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD och Velev, OD Till kretsar som helt består av mjuk materia: Prototyper av kvasi-vätskeenheter med memristoregenskaper. 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 och Velev, OD mot kretsar all mjuk materia: Prototyper av kvasi-vätskeenheter med memristoregenskaper.Avancerat alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Flytande metallomkopplare för miljövänlig elektronik. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Flytande metallomkopplare för miljövänlig elektronik.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Flytande metallomkopplare för miljövänlig elektronik. 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 Flytande metallomkopplare för miljövänlig elektronik.Avancerat alma mater.Gränssnitt 4, 1600913 (2017).
Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Jonströmlikriktning i mjukmaterialdioder med elektroder av flytande metall. Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Jonströmlikriktning i mjukmaterialdioder med elektroder av flytande metall. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Således JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Jonströmslikriktning i mjuka materialdioder med elektroder av flytande metall. Så, 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。 Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Således JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Jonströmslikriktning i mjuka materialdioder med elektroder av flytande metall.Utökade möjligheter.alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanotillverkning för helt mjuka och högdensitets elektroniska enheter baserade på flytande metall. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanotillverkning för helt mjuka och högdensitets elektroniska enheter baserade på flytande metall.Kim, M.-G., Brown, DK och Brand, O. Nanofabrication för helt mjuka och högdensitet flytande metallbaserade elektroniska enheter.Kim, M.-G., Brown, DK, och Brand, O. Nanotillverkning av högdensitet, helt mjuk elektronik baserad på flytande metall.Nationell kommun.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn är ett utdragbart elektronskal för interaktiv elektronik och CT-lokalisering.alma mater.Nivå.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultratunn stretchable Ag-In-Ga E-skin för bioelektronik och människa-maskin interaktion. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultratunn stretchable Ag-In-Ga E-skin för bioelektronik och människa-maskin interaktion.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. och Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprintad elektronik: ultratunn töjbar Ag-In-Ga E-hud för bioelektronik och interaktion mellan människa och maskin. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprintad elektronik: ultratunn töjbar Ag-In-Ga E-hud för bioelektronik och interaktion mellan människa och maskin.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. och Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction.ACS
Yang, Y. et al.Ultrahållfasta och konstruerade triboelektriska nanogeneratorer baserade på flytande metaller för bärbar elektronik.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Utveckling av mikrokanalstrukturer för översträckningssensorer baserade på flytande metaller vid rumstemperatur.vetenskapen.Rapport 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.EGAIn superelastiska kompositfibrer tål 500 % dragpåkänning och har utmärkt elektrisk ledningsförmåga för bärbar elektronik.ACS syftar på alma mater.Gränssnitt 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkt ledning av eutektiskt gallium-indium till en metallelektrod för mjuka sensorsystem. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkt ledning av eutektiskt gallium-indium till en metallelektrod för mjuka sensorsystem.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. och Bae, J. Direkt bindning av eutektiskt gallium-indium till metallelektroder för mjuka avkänningssystem. 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gallium-indium metallelektrod direkt ansluten till mjukt sensorsystem.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. och Bae, J. Direkt bindning av eutektiskt gallium-indium till metallelektroder för mjuka sensorsystem.ACS syftar på alma mater.Gränssnitt 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Flytande metallfyllda magnetoreologiska elastomerer med positiv piezoelektricitet.Nationell kommun.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Mycket känsliga och töjbara flerdimensionella töjningsmätare med perkolationsnät av förspända anisotropa metallnanotrådar.Nanolet.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universellt autonom självläkande elastomer med hög töjbarhet. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universellt autonom självläkande elastomer med hög töjbarhet.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. och Zhang, L. Mångsidig självläkande elastomer med hög elasticitet. 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. och Zhang L. Mångsidiga offline självläkande höghållfasta elastomerer.Nationell kommun.11, 1–9 (2020).
Zhu X. et al.Ultradragna metalliska ledande fibrer med flytande metallegeringskärnor.Utökade möjligheter.alma mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. et al.Studie av elektrokemisk pressning av flytande metalltråd.ACS syftar på alma mater.Gränssnitt 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. et al.Avdunstningsinducerad sintring av flytande metalldroppar med bionanofibrer för flexibel elektrisk ledningsförmåga och responsiv aktivering.Nationell kommun.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD et al.Eutektiskt gallium-indium (EGaIn): flytande metallegering som används för att bilda stabila strukturer i mikrokanaler vid rumstemperatur.Utökade möjligheter.alma mater.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Flytande metallbaserad mjuk robotik: material, design och tillämpningar. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Flytande metallbaserad mjuk robotik: material, design och tillämpningar.Wang, X., Guo, R. och Liu, J. Mjuk robotik baserad på flytande metall: material, konstruktion och tillämpningar. 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. Flytande metallbaserade mjuka robotar: material, design och applikationer.Wang, X., Guo, R. och Liu, J. Mjuka robotar baserade på flytande metall: material, konstruktion och tillämpningar.Avancerat alma mater.technology 4, 1800549 (2019).