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深圳大學王奔 AFM：提高液態金屬對襯底粘附力通過直接書寫構造柔性器件與機器人

2024-11-27 來源：高分子科技

液態金屬具有高表面張力的特性，會使得其容易在多數表面形成球狀，難以打印連續復雜圖案，獲得高分辨率電路。此外，液態金屬具有低附著力的特性，使其難以粘附在許多常見材料（如Ecoflex和紙張）上。因此，開發出有效改善液態金屬對襯底材料粘附力弱的特性的油墨，對于液態金屬實現增材制造顯得至關重要。

近日，深圳大學王奔在Advanced Functional Materials上發表了一篇題為“Directly Printable and Adhesive Liquid Metal Ink for Wearable Devices”的研究論文。文章提出，通過加入SiO₂顆粒與液態金屬混合制備LMS油墨，可以有效改善液態金屬油墨對襯底材料的弱附著力，同時實現“雙循環”回收效果。此外，制備的油墨在儲存一段時間后仍可直接書寫，性能不受影響。為直觀展示LMS油墨對不同襯底材料（如紙張、玻璃、PET、PVC、PDMS、PI等）的粘附性能，研究團隊通過直接書寫的方式繪制了一系列圖案。LMS油墨的“雙循環”效果體現在兩方面：一是液態金屬油墨本身可回收利用，二是書寫后的圖案可通過擦除回收油墨，并重新注入打印機針筒進行重復書寫（圖1）。論文第一作者為深圳大學化學與環境工程學院碩士研究生陳文富，通訊作者為王奔副教授。

圖1 LMS油墨通過柔性電子打印機實現圖案書寫和制造可穿戴器件。

本研究通過加入SiO₂顆粒與液態金屬在機械攪拌下混合制備LMS油墨，有效改善了液態金屬對襯底材料的弱粘附力。在柔性電子打印機上用LMS油墨書寫“SZU”圖案后，可通過蘸取無水乙醇擦除圖案，實現油墨回收。由于攪拌為物理過程，SiO₂顆粒通過物理附著被液態金屬表面的氧化層包裹。加入鹽酸可溶解氧化層，從而分離SiO₂顆粒與液態金屬，實現液態金屬的回收。通過在Ecoflex襯底上直接書寫電路圖案，LMS油墨成功構建了可穿戴應變傳感器，用于監測人體生理信號、傳遞摩斯電碼求助信息以及實現人機交互功能（圖2）。

圖2 LMS油墨的形態特性、流變學測試及柔性電子打印機的直寫效果顯示。

將液態金屬與SiO₂顆粒混合后可制備膏狀LMS油墨。從圖2b可以看出，液態金屬與氧化鎵層接觸，消耗氧化鎵層。由于攪拌過程中暴露在空氣中，鎵元素與氧氣反應，形成新的氧化鎵層。圖2c、2d、2e的SEM圖像顯示，SiO₂顆粒表面光滑，而LMS油墨中的SiO₂顆粒被氧化鎵覆蓋，說明攪拌過程中氧化層的持續形成有效增強了液態金屬的附著力。流變學測試表明，LMS油墨的高儲能模量有利于打印直線并保持圖案穩定性，剪切速率增加時，油墨附著力降低，可順利從針筒中流出。視頻1顯示，LMS油墨可實現直線書寫，無液滴聚集，而LM油墨則出現液滴聚集現象，證明LMS油墨適用于直接書寫，實現增材制造。

圖3 LMS油墨的印刷特性及圖案書寫。

為了直觀了解LMS油墨在Ecoflex襯底上的粘附效果，示意圖顯示LMS油墨從點膠針筒擠出后，與Ecoflex接觸，在空氣中形成新的氧化層，增強附著力。通過在Ecoflex上書寫測試線，打印精度可達165.80 μm。視頻2展示了柔性電子打印機打印線條的過程。研究表明，針頭內徑、打印速度、擠出壓力等參數影響書寫精度，調控這些參數可優化打印效果。實驗表明，擠壓壓力在150 ~ 160 kPa，打印速度為1 ~ 2 mm/s時效果最佳。為了展示LMS油墨在不同材料上的適用性，實驗在紙張、玻璃、PET、PVC、PDMS、PI等基材上書寫圖案（圖3）。視頻3中可見LMS油墨在PDMS基板上寫入圓弧。值得注意的是，書寫完“SZU”后，使用無水乙醇可擦除并回收墨水，重新注入注射器進行多次循環書寫，保持高回收率。