Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Тут ми демонструємо спонтанні та селективні властивості змочування рідких металевих сплавів на основі галію на металізованих поверхнях із мікромасштабними топографічними особливостями, викликаними імбібіцією.Сплави рідких металів на основі галію - дивовижні матеріали з величезним поверхневим натягом.Тому їх важко сформувати в тонкі плівки.Повне змочування евтектичного сплаву галію та індію досягалося на мікроструктурованій поверхні міді в присутності парів HCl, які видаляли природний оксид зі сплаву рідкого металу.Це змочування чисельно пояснюється на основі моделі Венцеля та процесу осмосу, показуючи, що розмір мікроструктури є критичним для ефективного змочування рідких металів, викликаного осмосом.Крім того, ми демонструємо, що спонтанне змочування рідких металів може бути вибірково спрямоване вздовж мікроструктурованих областей на металевій поверхні для створення візерунків.Цей простий процес рівномірно покриває та формує рідкий метал на великих площах без зовнішньої сили або складного поводження.Ми продемонстрували, що підкладки з малюнком рідкого металу зберігають електричні з’єднання навіть при розтягуванні та після повторних циклів розтягування.
Сплави рідких металів на основі галію (GaLM) привернули велику увагу завдяки своїм привабливим властивостям, таким як низька температура плавлення, висока електропровідність, низька в’язкість і текучість, низька токсичність і висока здатність до деформації1,2.Чистий галій має температуру плавлення близько 30 °C, а при плавленні в евтектичних композиціях з деякими металами, такими як In і Sn, температура плавлення нижче кімнатної.Двома важливими GaLM є евтектичний сплав галій-індій (EGaIn, 75% Ga та 25% In за масою, температура плавлення: 15,5 °C) та евтектичний сплав галій-індій-олово (GaInSn або галінстан, 68,5% Ga, 21,5% In та 10 % олова, температура плавлення: ~11 °C)1.2.Через їхню електропровідність у рідкій фазі GaLM активно досліджуються як електронні шляхи розтягування або деформації для різноманітних застосувань, включаючи електронні3,4,5,6,7,8,9 деформовані або вигнуті датчики 10, 11, 12 , 13, 14 і виводів 15, 16, 17. Виготовлення таких пристроїв шляхом осадження, друку та формування візерунків з GaLM вимагає знання та контролю міжфазних властивостей GaLM та підкладки, що лежить в його основі.GaLMs мають високий поверхневий натяг (624 мНм-1 для EGaIn18,19 і 534 мНм-1 для Galinstan20,21), що може ускладнити їх використання або маніпулювання.Утворення твердої кірки з природного оксиду галію на поверхні GaLM в умовах навколишнього середовища забезпечує оболонку, яка стабілізує GaLM у несферичній формі.Ця властивість дозволяє друкувати GaLM, імплантувати його в мікроканали та створювати візерунок із міжфазною стабільністю, досягнутою оксидами19,22,23,24,25,26,27.Тверда оксидна оболонка також дозволяє GaLM прилипати до більшості гладких поверхонь, але перешкоджає вільному плину металів з низькою в’язкістю.Розповсюдження GaLM на більшості поверхонь потребує сили, щоб зруйнувати оксидну оболонку28,29.
Оксидні оболонки можна видалити, наприклад, сильними кислотами або основами.За відсутності оксидів GaLM утворює краплі майже на всіх поверхнях через їх величезний поверхневий натяг, але є винятки: GaLM змочує металеві підкладки.Ga утворює металеві зв’язки з іншими металами за допомогою процесу, відомого як «реактивне змочування»30,31,32.Це реактивне змочування часто перевіряють за відсутності поверхневих оксидів для полегшення контакту метал-метал.Однак, навіть з природними оксидами в GaLM, було повідомлено, що контакти метал-метал утворюються, коли оксиди руйнуються при контакті з гладкими металевими поверхнями29.Реактивне змочування призводить до низьких контактних кутів і хорошого змочування більшості металевих підкладок33,34,35.
На сьогоднішній день було проведено багато досліджень щодо використання сприятливих властивостей реактивного змочування GaLM металами для формування картини GaLM.Наприклад, GaLM наносили на суцільні металеві доріжки з візерунками шляхом розмазування, прокатки, розпилення або маскування тіні34, 35, 36, 37, 38. Вибіркове змочування GaLM на твердих металах дозволяє GaLM формувати стабільні та чітко визначені візерунки.Однак високий поверхневий натяг GaLM перешкоджає утворенню однорідних тонких плівок навіть на металевих підкладках.Щоб вирішити цю проблему, Lacour та ін.повідомили про метод виробництва гладких плоских тонких плівок GaLM на великих площах шляхом випаровування чистого галію на покриті золотом мікроструктуровані підкладки37,39.Цей метод вимагає вакуумного осадження, яке є дуже повільним.Крім того, GaLM зазвичай не допускається для таких пристроїв через можливу крихкість40.Випаровування також осідає матеріал на підкладці, тому для створення малюнка потрібен візерунок.Ми шукаємо спосіб створення гладких плівок і візерунків GaLM шляхом розробки топографічних елементів металу, які GaLM змочує спонтанно та вибірково за відсутності природних оксидів.Тут ми повідомляємо про спонтанне вибіркове змочування безоксидного EGaIn (типового GaLM) з використанням унікальної поведінки змочування на фотолітографічно структурованих металевих підкладках.Ми створюємо фотолітографічно визначені поверхневі структури на мікрорівні для вивчення проникнення, тим самим контролюючи змочування рідких металів без оксидів.Покращені властивості змочування EGaIn на мікроструктурованих металевих поверхнях пояснюються чисельним аналізом на основі моделі Венцеля та процесу просочення.Нарешті, ми демонструємо осадження великої площі та формування візерунка EGaIn шляхом самопоглинання, спонтанного та вибіркового змочування на мікроструктурованих поверхнях осадження металу.Розтягувальні електроди та тензодатчики, що містять структури EGaIn, представлені як потенційні застосування.
Абсорбція - це капілярний транспорт, при якому рідина проникає в текстуровану поверхню 41, що полегшує розтікання рідини.Ми досліджували змочувальну поведінку EGaIn на металевих мікроструктурованих поверхнях, нанесених у парах HCl (рис. 1).В якості металу для підкладки була обрана мідь. На плоских мідних поверхнях EGaIn показав низький контактний кут <20° у присутності парів HCl через реактивне змочування31 (додатковий рис. 1). На плоских мідних поверхнях EGaIn показав низький контактний кут <20° у присутності парів HCl через реактивне змочування31 (додатковий рис. 1). На плоских медових поверхнях EGaIn показав низький краєвий кут <20 ° у присутності парів HCl із-за реактивного смачювання31 (доповнільний рисунок 1). На плоских мідних поверхнях EGaIn продемонстрував низький кут контакту <20° у присутності парів HCl через реактивне змочування31 (додатковий малюнок 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 плоских медичних поверхнях EGaIn демонструє низькі краєві угли <20 ° в присутствии паров HCl із-за реактивного смачювання (доповнільний рисунок 1). На плоских мідних поверхнях EGaIn демонструє низькі кути контакту <20° у присутності парів HCl через реактивне змочування (додатковий малюнок 1).Ми виміряли близькі контактні кути EGaIn на об’ємній міді та на мідних плівках, нанесених на полідиметилсилоксан (PDMS).
a Стовпчасті (D (діаметр) = l (відстань) = 25 мкм, d (відстань між колонками) = 50 мкм, H (висота) = 25 мкм) та пірамідальні (ширина = 25 мкм, висота = 18 мкм) мікроструктури на Cu /підкладки PDMS.b Залежні від часу зміни контактного кута на плоских підкладках (без мікроструктур) і масивах стовпів і пірамід, що містять PDMS з мідним покриттям.c, d Інтервальний запис (c) виду збоку та (d) виду зверху змочування EGaIn на поверхні зі стовпами в присутності парів HCl.
Для оцінки впливу топографії на змочування були виготовлені підкладки PDMS зі стовпчастим та пірамідальним візерунком, на які мідь була нанесена титановим клейовим шаром (рис. 1а).Було продемонстровано, що мікроструктурована поверхня підкладки PDMS була конформно покрита міддю (додатковий рис. 2).Залежні від часу контактні кути EGaIn на візерункових і планарних PDMS з мідним напиленням (Cu/PDMS) показані на рис.1б.Контактний кут EGaIn на візерунковій міді/PDMS падає до 0° протягом ~1 хв.Покращене змочування мікроструктур EGaIn можна використовувати за допомогою рівняння Венцеля\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), де \({\theta}_{{{rough}}\) представляє контактний кут шорсткої поверхні, \ (r \) Шорсткість поверхні (= фактична площа/видима площа) і контактний кут на площині \({\theta}_{0}\).Результати посиленого змочування EGaIn на візерункових поверхнях добре узгоджуються з моделлю Венцеля, оскільки значення r для задньої та пірамідальної візерункових поверхонь становлять 1,78 і 1,73 відповідно.Це також означає, що крапля EGaIn, розташована на поверхні з малюнком, проникне в канавки основного рельєфу.Важливо відзначити, що в цьому випадку утворюються дуже однорідні плоскі плівки, на відміну від випадку з EGaIn на неструктурованих поверхнях (додатковий рис. 1).
З рис.1c,d (додатковий фільм 1) можна побачити, що через 30 с, коли видимий контактний кут наближається до 0°, EGaIn починає дифундувати далі від краю краплі, що спричинено поглинанням (додатковий фільм 2 і додатковий рис. 3).Попередні дослідження плоских поверхонь пов’язували часовий масштаб реактивного змочування з переходом від інерційного до в’язкого змочування.Розмір місцевості є одним із ключових факторів, що визначає, чи відбувається самовсмоктування.Шляхом порівняння поверхневої енергії до і після просочування з термодинамічної точки зору було отримано критичний контактний кут \({\theta}_{c}\) просочення (див. Додаткове обговорення для деталей).Результат \({\theta}_{c}\) визначається як \({{{({\rm{cos))))))\, {\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\), де \({\phi}_{s}\) представляє часткову область у верхній частині повідомлення, а \(r\ ) представляє шорсткість поверхні. Проникнення може відбуватися, коли \({\theta _{c}\) > \({\theta _{0}\), тобто контактний кут на плоскій поверхні. Проникнення може відбуватися, коли \({\theta _{c}\) > \({\theta _{0}\), тобто контактний кут на плоскій поверхні. Впитування може відбуватися, коли \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактний кут на плоскій поверхні. Поглинання може відбуватися, коли \({\theta _{c}\) > \({\theta }_{0}\), тобто контактний кут на плоскій поверхні.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 відбувається, коли \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактний кут на плоскості. Всмоктування відбувається, коли \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), контактний кут на площині.Для поверхонь з малюнком \(r\) і \({\phi}_{s}\) обчислюються як \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) і \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), де \(R\) представляє радіус стовпця, \(H\) представляє висоту стовпця, а \ ( d\) — відстань між центрами двох стовпів (рис. 1а).Для постструктурованої поверхні на рис.1a, кут \({\theta}_{c}\) становить 60°, що більше, ніж площина \({\theta}_{0}\) (~25°) у парах HCl без оксиду EGaIn на Cu/PDMS.Таким чином, краплі EGaIn можуть легко вторгнутися в структуровану поверхню осадження міді на рис. 1а через поглинання.
Щоб дослідити вплив топографічного розміру візерунка на змочування та поглинання EGaIn, ми змінювали розмір стовпів з мідним покриттям.На рис.2 показано контактні кути та поглинання EGaIn на цих підкладках.Відстань l між колонками дорівнює діаметру колонок D і становить від 25 до 200 мкм.Висота 25 мкм є постійною для всіх колонок.\({\theta}_{c}\) зменшується зі збільшенням розміру колонки (таблиця 1), що означає, що поглинання менш імовірне на субстратах із більшими колонками.Для всіх протестованих розмірів \({\theta}_{c}\) більше, ніж \({\theta}_{0}\), і очікується поглинання.Однак поглинання рідко спостерігається для поверхонь з малюнком з l і D 200 мкм (рис. 2e).
Залежний від часу кут контакту EGaIn на поверхні Cu/PDMS зі стовпцями різних розмірів після впливу парів HCl.b–e Вид зверху та збоку змочування EGaIn.b D = l = 25 мкм, r = 1,78.в D = l = 50 мкм, r = 1,39.dD = l = 100 мкм, r = 1,20.eD = l = 200 мкм, r = 1,10.Усі стовпи мають висоту 25 мкм.Ці зображення були зроблені щонайменше через 15 хвилин після впливу парів HCl.Краплі на EGaIn — це вода, яка утворюється в результаті реакції між оксидом галію та парами HCl.Усі шкали в (b – e) дорівнюють 2 мм.
Ще одним критерієм визначення ймовірності вбирання рідини є закріплення рідини на поверхні після нанесення малюнка.Курбін та ін.Повідомлялося, що коли (1) стовпи досить високі, краплі будуть поглинатися поверхнею з малюнком;(2) відстань між колонами досить мала;і (3) контактний кут рідини з поверхнею достатньо малий42.Чисельно \({\theta}_{0}\) рідини на площині, що містить той самий матеріал підкладки, має бути меншим за критичний контактний кут для закріплення, \({\theta}_{c,{pin))} \ ), для поглинання без закріплення між стовпами, де \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (додаткову інформацію див. у додатковому обговоренні).Значення \({\theta}_{c,{pin}}\) залежить від розміру штифта (Таблиця 1).Визначте безрозмірний параметр L = l/H, щоб судити про те, чи відбувається поглинання.Для поглинання L має бути меншим за пороговий стандарт \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Для EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) на мідній підкладці \({L}_{c}\) становить 5,2.Оскільки стовпчик L 200 мкм дорівнює 8, що більше за значення \({L}_{c}\), поглинання EGaIn не відбувається.Для подальшої перевірки ефекту геометрії ми спостерігали самовсмоктування різних H і l (додаткова рис. 5 і додаткова таблиця 1).Результати добре узгоджуються з нашими розрахунками.Таким чином, L виявляється ефективним предиктором поглинання;рідкий метал перестає вбиратися через закріплення, коли відстань між стовпами є відносно великою порівняно з висотою стовпів.
Змочуваність можна визначити на основі складу поверхні основи.Ми досліджували вплив складу поверхні на змочування та поглинання EGaIn шляхом спільного нанесення Si та Cu на стовпи та площини (додаткова рис. 6).Кут контакту EGaIn зменшується від ~160° до ~80°, оскільки бінарна поверхня Si/Cu збільшується від 0 до 75% при рівному вмісті міді.Для поверхні 75% Cu/25% Si \({\theta}_{0}\) становить ~80°, що відповідає \({L}_{c}\), що дорівнює 0,43 згідно з наведеним вище визначенням .Оскільки стовпці l = H = 25 мкм з L, що дорівнює 1, більшому за порогове значення \({L}_{c}\), поверхня 75% Cu/25% Si після нанесення малюнка не поглинає через іммобілізацію.Оскільки контактний кут EGaIn збільшується з додаванням Si, для подолання закріплення та просочення потрібна більша H або менша l.Отже, оскільки контактний кут (тобто \({\theta}_{0}\)) залежить від хімічного складу поверхні, він також може визначити, чи відбувається проникнення в мікроструктуру.
Поглинання EGaIn на візерунковій міді/PDMS може зволожити рідкий метал у корисні візерунки.Для того, щоб оцінити мінімальну кількість ліній стовпців, що спричиняють імбібіцію, властивості змочування EGaIn спостерігали на Cu/PDMS з лініями після шаблону, що містять різні номери ліній стовпців від 1 до 101 (рис. 3).Змочування в основному відбувається в області після формування малюнка.Затікання EGaIn надійно спостерігалося, і довжина затікання збільшувалася зі збільшенням кількості рядів стовпців.Поглинання майже ніколи не відбувається, коли є повідомлення з двома або менше рядками.Це може бути пов'язано з підвищенням капілярного тиску.Щоб поглинання відбувалося за стовпчастою схемою, капілярний тиск, викликаний кривизною головки EGaIn, повинен бути подоланий (додатковий рис. 7).Якщо припустити, що радіус кривизни становить 12,5 мкм для однорядної головки EGaIn зі стовпчастим візерунком, капілярний тиск становить ~0,98 атм (~740 Торр).Цей високий тиск Лапласа може запобігти намокання, спричинене поглинанням EGaIn.Крім того, менша кількість рядків колонок може зменшити силу поглинання, яка виникає через капілярну дію між EGaIn і колонками.
a Краплі EGaIn на структурованому Cu/PDMS із візерунками різної ширини (w) на повітрі (перед впливом парів HCl).Ряди стійок, починаючи з верху: 101 (ш = 5025 мкм), 51 (ш = 2525 мкм), 21 (ш = 1025 мкм), 11 (ш = 525 мкм).b Спрямоване змочування EGaIn на (a) після впливу парів HCl протягом 10 хв.c, d Змочування EGaIn на Cu/PDMS зі стовпчастими структурами (c) два ряди (w = 75 мкм) та (d) один ряд (w = 25 мкм).Ці зображення були зроблені через 10 хвилин після впливу парів HCl.Масштабні шкали на (a, b) і (c, d) становлять 5 мм і 200 мкм відповідно.Стрілки в (c) вказують на кривизну головки EGaIn через поглинання.
Поглинання EGaIn у Cu/PDMS з постпаттерном дозволяє утворювати EGaIn шляхом вибіркового змочування (рис. 4).Коли краплю EGaIn поміщають на ділянку з малюнком і піддають дії парів HCl, крапля EGaIn спочатку руйнується, утворюючи невеликий контактний кут, коли кислота видаляє накип.Згодом починається всмоктування від краю краплі.Візерунок великої площі може бути досягнутий за допомогою EGaIn сантиметрового масштабу (рис. 4a, c).Оскільки поглинання відбувається лише на топографічній поверхні, EGaIn змочує лише область малюнка та майже припиняє змочувати, коли досягає плоскої поверхні.Внаслідок цього спостерігаються різкі межі патернів EGaIn (рис. 4d, e).На рис.4b показано, як EGaIn вторгається в неструктуровану область, особливо навколо місця, де спочатку була розміщена крапля EGaIn.Це було тому, що найменший діаметр крапель EGaIn, використаних у цьому дослідженні, перевищував ширину візерункових букв.Краплі EGaIn поміщали на ділянку візерунка шляхом ручної ін’єкції через голку та шприц 27-G, що призвело до отримання крапель мінімальним розміром 1 мм.Цю проблему можна вирішити, використовуючи менші краплі EGaIn.Загалом, малюнок 4 демонструє, що спонтанне змочування EGaIn може бути викликане та спрямоване на мікроструктуровані поверхні.Порівняно з попередньою роботою, цей процес змочування відбувається відносно швидко, і для досягнення повного змочування не потрібна зовнішня сила (додаткова таблиця 2).
емблема університету, літера б, в у вигляді блискавки.Область поглинання покрита масивом колонок з D = l = 25 мкм.г, збільшені зображення ребер в е (в).Масштабні шкали на (a–c) і (d, e) становлять 5 мм і 500 мкм відповідно.На (c–e) маленькі краплі на поверхні після адсорбції перетворюються на воду в результаті реакції між оксидом галію та парами HCl.Значного впливу водоутворення на змочування не спостерігалося.Вода легко видаляється за допомогою простого процесу сушіння.
Завдяки рідкій природі EGaIn Cu/PDMS з покриттям EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) можна використовувати для гнучких електродів, що розтягуються.На малюнку 5a порівнюються зміни опору оригінальних Cu/PDMS та EGaIn/Cu/PDMS під різними навантаженнями.Опір Cu/PDMS різко зростає при розтягуванні, тоді як опір EGaIn/Cu/PDMS залишається низьким при розтягуванні.На рис.5b і d показують SEM-зображення та відповідні дані ЕРС необроблених Cu/PDMS та EGaIn/Cu/PDMS до та після подачі напруги.Для непошкоджених Cu/PDMS деформація може спричинити тріщини в твердій Cu-плівці, нанесеній на PDMS, через невідповідність еластичності.На відміну від цього, для EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn все ще добре покриває підкладку Cu/PDMS і зберігає електричну безперервність без будь-яких тріщин або значної деформації навіть після навантаження.Дані EDS підтвердили, що галій та індій з EGaIn були рівномірно розподілені на підкладці Cu/PDMS.Примітно, що товщина плівки EGaIn однакова і порівнянна з висотою стовпів. Це також підтверджено подальшим топографічним аналізом, де відносна різниця між товщиною плівки EGaIn і висотою стовпа становить <10% (додатковий рис. 8 і таблиця 3). Це також підтверджено подальшим топографічним аналізом, де відносна різниця між товщиною плівки EGaIn і висотою стовпа становить <10% (додатковий рис. 8 і таблиця 3). Це також підтверджується подальшим топографічним аналізом, де відносна різниця між товщиною плівки EGaIn і висотою столба становить <10% (додатковий рис. 8 і таблиця 3). Це також підтверджено подальшим топографічним аналізом, де відносна різниця між товщиною плівки EGaIn і висотою колони становить <10% (додатковий рис. 8 і таблиця 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% Це також було підтверджено подальшим топографічним аналізом, де відносна різниця між товщиною плівки EGaIn і висотою стільця склала <10% (додатковий рис. 8 і таблиця 3). Це також було підтверджено подальшим топографічним аналізом, де відносна різниця між товщиною плівки EGaIn і висотою колони була <10% (додатковий рис. 8 і таблиця 3).Це змочування на основі просочення дозволяє добре контролювати товщину покриттів EGaIn і підтримувати стабільність на великих площах, що є складним завданням через його рідку природу.На малюнках 5c і e порівнюються провідність і стійкість до деформації вихідного Cu/PDMS і EGaIn/Cu/PDMS.У демо-версії світлодіодний індикатор вмикався при підключенні до недоторканих електродів Cu/PDMS або EGaIn/Cu/PDMS.Коли непошкоджений Cu/PDMS розтягується, світлодіод вимикається.Однак електроди EGaIn/Cu/PDMS залишалися електрично з’єднаними навіть під навантаженням, а світлодіодне світло лише трохи тьмяніло через підвищений опір електродів.
a Нормований опір змінюється зі збільшенням навантаження на Cu/PDMS та EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM-зображення та аналіз енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS) до (верхній) і після (нижній) полідиплексів, завантажених у (b) Cu/PDMS та (d) EGaIn/Cu/метилсилоксан.c, e Світлодіоди, прикріплені до (c) Cu/PDMS та (e) EGaIn/Cu/PDMS до (зверху) і після (знизу) розтягування (~30% стресу).Масштабна шкала в (b) і (d) становить 50 мкм.
На рис.6a показує опір EGaIn/Cu/PDMS як функцію деформації від 0% до 70%.Збільшення та відновлення опору пропорційні деформації, що добре узгоджується із законом Пуйє для нестисливих матеріалів (R/R0 = (1 + ε)2), де R – опір, R0 – початковий опір, ε – деформація 43. Інші дослідження показали, що при розтягуванні тверді частинки в рідкому середовищі можуть перегруповуватися і розподілятися більш рівномірно з кращою когезією, тим самим зменшуючи збільшення опору 43, 44 . Однак у цій роботі провідник становить >99% рідкого металу за об’ємом, оскільки плівки Cu мають товщину лише 100 нм. Однак у цій роботі провідник становить >99% рідкого металу за об’ємом, оскільки плівки Cu мають товщину лише 100 нм. Однак у цій роботі провідник складається з >99% рідкого металу за обсягом, так як плівки Cu мають товщину всього 100 нм. Однак у цій роботі провідник складається з >99% рідкого металу за об’ємом, оскільки плівки Cu мають товщину лише 100 нм.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 нм 厚，因此导体是>99%Однак у цій роботі, оскільки плівка Cu має товщину лише 100 нм, провідник складається з більш ніж 99% рідкого металу (за об’ємом).Тому ми не очікуємо, що Cu зробить значний внесок в електромеханічні властивості провідників.
Нормована зміна опору EGaIn/Cu/PDMS порівняно з деформацією в діапазоні 0–70%.Максимальна напруга, досягнута до відмови PDMS, становила 70% (додатковий рис. 9).Червоні крапки - це теоретичні значення, передбачені законом Пьюета.b Випробування на стабільність електропровідності EGaIn/Cu/PDMS під час повторних циклів розтягування-розтягування.У циклічному тесті використовували 30% штам.Масштабна шкала на вставці 0,5 см.L — початкова довжина EGaIn/Cu/PDMS до розтягування.
Коефіцієнт вимірювання (GF) виражає чутливість датчика і визначається як відношення зміни опору до зміни деформації45.GF збільшився з 1,7 при деформації 10% до 2,6 при деформації 70% через геометричні зміни металу.Порівняно з іншими тензодатчиками значення GF EGaIn/Cu/PDMS помірне.Як датчик, хоча його GF може бути не дуже високим, EGaIn/Cu/PDMS демонструє значну зміну опору у відповідь на низьке навантаження співвідношення сигнал/шум.Щоб оцінити стабільність провідності EGaIn/Cu/PDMS, електричний опір відстежували під час повторних циклів розтягування-розтягування при 30% деформації.Як показано на рис.6b, після 4000 циклів розтягування значення опору залишалося в межах 10%, що може бути пов’язано з безперервним утворенням накипу під час повторних циклів розтягування46.Таким чином, було підтверджено тривалу електричну стабільність EGaIn/Cu/PDMS як розтяжного електрода та надійність сигналу як тензодатчика.
У цій статті ми обговорюємо покращені властивості змочування GaLM на мікроструктурованих металевих поверхнях, спричинені інфільтрацією.Спонтанне повне змочування EGaIn було досягнуто на стовпчастих і пірамідальних металевих поверхнях у присутності парів HCl.Це можна пояснити чисельно на основі моделі Венцеля та процесу каплотування, який показує розмір постмікроструктури, необхідної для змочування, викликаного каплотуванням.Мимовільне та вибіркове змочування EGaIn, кероване мікроструктурованою металевою поверхнею, дає змогу наносити рівномірні покриття на великі площі та формувати візерунки з рідкого металу.Підкладки Cu/PDMS із покриттям EGaIn зберігають електричні з’єднання навіть у розтягнутому стані та після повторних циклів розтягування, що підтверджено результатами SEM, EDS та вимірювань електричного опору.Крім того, електричний опір Cu/PDMS, покритого EGaIn, змінюється оборотно та надійно пропорційно прикладеній деформації, що вказує на її потенційне застосування як датчика деформації.Можливі переваги принципу змочування рідким металом, викликаного просоченням, такі: (1) покриття GaLM і візерунок можна досягти без зовнішньої сили;(2) Змочування GaLM на поверхні мікроструктури з мідним покриттям є термодинамічним.отримана плівка GaLM стабільна навіть при деформації;(3) зміна висоти колони з мідним покриттям може сформувати плівку GaLM з контрольованою товщиною.Крім того, цей підхід зменшує кількість GaLM, необхідного для формування плівки, оскільки стовпи займають частину плівки.Наприклад, коли вводиться масив стовпів діаметром 200 мкм (з відстанню між стовпами 25 мкм), об’єм GaLM, необхідний для формування плівки (~9 мкм3/мкм2), порівнянний з об’ємом плівки без стовпи.(25 мкм3/мкм2).Однак у цьому випадку необхідно враховувати, що теоретичний опір, оцінений за законом П'юе, також збільшується в дев'ять разів.Загалом, унікальні властивості змочування рідких металів, які обговорюються в цій статті, пропонують ефективний спосіб нанесення рідких металів на різноманітні підкладки для електроніки, що розтягується, та інших нових застосувань.
Субстрати PDMS готували шляхом змішування матриці Sylgard 184 (Dow Corning, США) і затверджувача у співвідношенні 10:1 і 15:1 для випробувань на розтягування з подальшим затвердінням у духовці при 60°C.Мідь або кремній наносили на кремнієві пластини (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Республіка Корея) і підкладки PDMS з титановим адгезивним шаром товщиною 10 нм за допомогою спеціальної системи напилення.Стовпчасті та пірамідальні структури наносяться на підкладку PDMS за допомогою процесу фотолітографії з кремнієвих пластин.Ширина та висота пірамідального візерунка 25 та 18 мкм відповідно.Висота штрихового малюнка була фіксованою на 25 мкм, 10 мкм і 1 мкм, а його діаметр і крок змінювалися від 25 до 200 мкм.
Контактний кут EGaIn (галій 75,5%/індій 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республіка Корея) вимірювали за допомогою краплеподібного аналізатора (DSA100S, KRUSS, Німеччина). Контактний кут EGaIn (галій 75,5%/індій 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республіка Корея) вимірювали за допомогою краплеподібного аналізатора (DSA100S, KRUSS, Німеччина). Краєвий кут EGaIn (галлій 75,5 %/індій 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республіка Корея) виміряли за допомогою каплевидного аналізатора (DSA100S, KRUSS, Німеччина). Крайовий кут EGaIn (галій 75,5%/індій 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республіка Корея) вимірювали за допомогою аналізатора крапель (DSA100S, KRUSS, Німеччина). 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 (галій 75,5%/індій 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) вимірювали за допомогою контактного аналізатора (DSA100S, KRUSS, Німеччина). Краєвий кут EGaIn (галлій 75,5%/індій 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республіка Корея) виміряли за допомогою аналізатора форми каплі (DSA100S, KRUSS, Німеччина). Крайовий кут EGaIn (галій 75,5%/індій 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республіка Корея) вимірювали за допомогою аналізатора форми (DSA100S, KRUSS, Німеччина).Помістіть субстрат у скляну камеру 5 см × 5 см × 5 см і помістіть 4–5 мкл краплі EGaIn на субстрат за допомогою шприца діаметром 0,5 мм.Для створення середовища з парами HCl 20 мкл розчину HCl (37 мас.%, Samchun Chemicals, Республіка Корея) поміщали поруч із підкладкою, яку випаровували достатньо, щоб заповнити камеру протягом 10 с.
Зображення поверхні було отримано за допомогою SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Республіка Корея).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Республіка Корея) використовувався для вивчення елементного якісного аналізу та розподілу.Топографію поверхні EGaIn/Cu/PDMS аналізували за допомогою оптичного профілометра (The Profilm3D, Filmetrics, США).
Щоб дослідити зміну електропровідності під час циклів розтягування, зразки з і без EGaIn були закріплені на обладнанні для розтягування (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республіка Корея) і були електрично підключені до джерела вимірювача Keithley 2400. Щоб дослідити зміну електропровідності під час циклів розтягування, зразки з і без EGaIn були закріплені на обладнанні для розтягування (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республіка Корея) і були електрично підключені до джерела вимірювача Keithley 2400. Для дослідження зміни електропроводності під час циклів розтяжки зразки з EGaIn і без нього закріпили на обладнанні для розтяжки (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республіка Корея) і електрично підключили до вимірювача джерела Keithley 2400. Щоб вивчити зміну електропровідності під час циклів розтягування, зразки з і без EGaIn були встановлені на обладнання для розтягування (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республіка Корея) і електрично підключені до джерела вимірювача Keithley 2400.Щоб вивчити зміну електропровідності під час циклів розтягування, зразки з і без EGaIn були встановлені на пристрої для розтягування (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Республіка Корея) і електрично підключені до Keithley 2400 SourceMeter.Вимірює зміну опору в діапазоні від 0% до 70% деформації зразка.Для тесту на стабільність зміну опору вимірювали протягом 4000 30% циклів деформації.
Щоб отримати додаткові відомості про дизайн дослідження, перегляньте анотацію дослідження Nature, посилання на яку наведено в цій статті.
Дані, що підтверджують результати цього дослідження, представлені у файлах додаткової інформації та вихідних даних.У цій статті наведені вихідні дані.
Daeneke, T. та ін.Рідкі метали: хімічні основи та застосування.хімічний.суспільства.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Атрибути, виготовлення та застосування частинок рідкого металу на основі галію. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Атрибути, виготовлення та застосування частинок рідкого металу на основі галію.Lin, Y., Genzer, J. та Dickey, MD Властивості, виготовлення та застосування частинок рідкого металу на основі галію. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD 镓基液态金属颗粒的属性、制造和应用。 Лін, Ю., Гензер, Дж. і Дікі, доктор медичних наукLin, Y., Genzer, J. та Dickey, MD Властивості, виготовлення та застосування частинок рідкого металу на основі галію.Передова наука.7, 2000–192 (2020).
Ку, Г. Дж., Со, Дж. Х., Дікі, доктор медичних наук і Велев, О. Д. Назустріч ланцюгам із м’якої матерії: прототипи квазірідких пристроїв із характеристиками мемристора. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD. До схем із повністю м’якої матерії: прототипи квазірідинних пристроїв із характеристиками мемристора.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD, and Velev, OD. До ланцюгів, які повністю складаються з м’якої речовини: прототипи квазірідких пристроїв із характеристиками мемристора. 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。 Ку, Х.Дж., Со, Дж.Х., Дікі, доктор медицини та Велев, О.ДKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD, and Velev, OD Towards Circuits All Soft Matter: Prototypes of Quasi-Fluid Devices with Memristor Properties.Передова альма-матер.23, 3559–3564 (2011).
Білодо Р.А., Землянов Д.Ю. та Крамер Р.К. Перемикачі з рідкого металу для екологічно безпечної електроніки. Білодо Р.А., Землянов Д.Ю. та Крамер Р.К. Перемикачі з рідкого металу для екологічно безпечної електроніки.Білодо Р.А., Землянов Д.Ю., Крамер Р.К. Перемикачі з рідкого металу для екологічно чистої електроніки. Білодо, Р.А., Землянов, Д.Ю. та Крамер, Р.К. 用于环境响应电子产品的液态金属开关。 Білодо Р.А., Землянов Д.Ю. та Крамер Р.КБілодо Р.А., Землянов Д.Ю., Крамер Р.К. Перемикачі з рідкого металу для екологічно чистої електроніки.Передова альма-матер.Інтерфейс 4, 1600913 (2017).
Отже, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Випрямлення іонного струму в діодах з м’якої речовини з електродами з рідкого металу. Отже, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Випрямлення іонного струму в діодах з м’якої речовини з електродами з рідкого металу. Так, JH, Koo, HJ, Дікі, MD & Velev, OD. Таким чином, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Випрямлення іонного струму в діодах з м’яких матеріалів з електродами з рідкого металу. Отже, 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。 Отже, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Так, JH, Koo, HJ, Дікі, MD & Velev, OD. Таким чином, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Випрямлення іонного струму в діодах з м’яких матеріалів з електродами з рідкого металу.Розширені можливості.альма-матер.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication для м’яких електронних пристроїв високої щільності на основі рідкого металу. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication для м’яких електронних пристроїв високої щільності на основі рідкого металу.Кім, М.-Г., Браун, Д.К. та Бренд, О. Нанофабрикація для електронних пристроїв на основі м’яких і рідких металів високої щільності.Кім, М.-Г., Браун, Д.К., і Бренд, О. Нанофабрикація повністю м’якої електроніки високої щільності на основі рідкого металу.Національна комуна.11, 1–11 (2020).
Guo, R. та ін.Cu-EGaIn — це розширювана електронна оболонка для інтерактивної електроніки та локалізації КТ.альма-матер.Рівень.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Гідродрукована електроніка: надтонка еластична Ag–In–Ga E-шкіра для біоелектроніки та взаємодії людини та машини. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Гідродрукована електроніка: надтонка еластична Ag–In–Ga E-шкіра для біоелектроніки та взаємодії людини та машини.Лопес, Пенсільванія, Пайсана, Х., Де Алмейда, А.Т., Маджіді, К., і Таваколі, М. Гідродрукарська електроніка: надтонка розтяжна електронна оболонка Ag-In-Ga для біоелектроніки та взаємодії людини та машини. Лопес, Пенсільванія, Пайзана, Х., Де Алмейда, А.Т., Маджіді, С. і Таваколі, М. Електроніка з гідродруком: надтонка еластична Ag-In-Ga E-шкіра для біоелектроніки та взаємодії людини з машиною. Лопес, Пенсільванія, Пайзана, Х., Де Алмейда, А.Т., Маджіді, С. і Таваколі, М. Електроніка з гідродруком: надтонка еластична Ag-In-Ga E-шкіра для біоелектроніки та взаємодії людини з машиною.Лопес, Пенсільванія, Пайсана, Х., Де Алмейда, А.Т., Маджіді, К., і Таваколі, М. Гідродрукарська електроніка: надтонка розтяжна електронна оболонка Ag-In-Ga для біоелектроніки та взаємодії людини та машини.ACS
Yang, Y. та ін.Ультраміцні та сконструйовані трибоелектричні наногенератори на основі рідких металів для носимої електроніки.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Гао К. та ін.Розробка мікроканальних структур для датчиків перерозтягнення на основі рідких металів при кімнатній температурі.наука.Звіт 9, 1–8 (2019).
Chen, G. та ін.Супереластичні композитні волокна EGaIn можуть витримувати 500% натягу та мають відмінну електропровідність для носимої електроніки.ACS відноситься до alma mater.Інтерфейс 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Пряме підключення евтектичного галію-індія до металевого електрода для м’яких сенсорних систем. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Пряме підключення евтектичного галію-індія до металевого електрода для м’яких сенсорних систем.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. і Bae, J. Пряме з’єднання евтектичного галію-індія з металевими електродами для м’яких сенсорних систем. 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галій-індієвий металевий електрод, безпосередньо прикріплений до системи м’якого датчика.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. і Bae, J. Пряме з’єднання евтектичного галію-індія з металевими електродами для м’яких сенсорних систем.ACS відноситься до alma mater.Інтерфейси 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. та ін.Наповнені рідким металом магнітореологічні еластомери з позитивною п’єзоелектрикою.Національна комуна.10, 1–9 (2019).
Кім, К. К. Високочутливі та розтяжні багатовимірні тензодатчики з перколяційними сітками з попередньо напружених анізотропних металевих нанодротів.Нанолет.15, 5240–5247 (2015).
Гуо, Х., Хан, Ю., Чжао, В., Ян, Дж. і Чжан, Л. Універсальний автономний самовідновлюваний еластомер із високою еластичністю. Гуо, Х., Хан, Ю., Чжао, В., Ян, Дж. і Чжан, Л. Універсальний автономний самовідновлюваний еластомер із високою еластичністю.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J., and Zhang, L. Універсальний самовідновлювальний еластомер з високою еластичністю. Го, Х., Хан, Ю., Чжао, В., Ян, Дж. і Чжан, Л. 具有高拉伸性的通用自主自愈弹性体。 Го, Х., Хан, Ю., Чжао, В., Ян, Дж. і Чжан, Л.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. і Zhang L. Універсальні автономні самовідновлювальні еластомери з високою міцністю.Національна комуна.11, 1–9 (2020).
Чжу X. та ін.Ультратягнуті металеві провідні волокна з використанням сердечників зі сплаву рідкого металу.Розширені можливості.альма-матер.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. та ін.Дослідження електрохімічного пресування рідкого металевого дроту.ACS відноситься до alma mater.Інтерфейс 12, 31010–31020 (2020).
Лі Х. та ін.Індуковане випаровуванням спікання крапель рідкого металу з біонановолокнами для гнучкої електропровідності та чутливого спрацьовування.Національна комуна.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD та ін.Евтектичний галій-індій (EGaIn): рідкий металевий сплав, який використовується для формування стабільних структур у мікроканалах при кімнатній температурі.Розширені можливості.альма-матер.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. М’яка робототехніка на основі рідкого металу: матеріали, конструкції та застосування. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. М’яка робототехніка на основі рідкого металу: матеріали, конструкції та застосування.Wang, X., Guo, R. та Liu, J. М’яка робототехніка на основі рідкого металу: матеріали, конструкція та застосування. 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. М’які роботи на основі рідкого металу: матеріали, конструкція та застосування.Wang, X., Guo, R. та Liu, J. М’які роботи на основі рідкого металу: матеріали, конструкція та застосування.Передова альма-матер.технології 4, 1800549 (2019).