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  和傳統(tǒng)的二維電子器件相比，三維柔性電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)多維功能和多組件的集成，在軟體機(jī)器人和可穿戴傳感器領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。液態(tài)金屬（Liquid Metal, LM）兼具獨(dú)特的金屬性質(zhì)和流體特性，是制造柔性電子器件的理想材料。然而，液態(tài)金屬的粘度低，表面張力高，一般只適用于二維圖案的制備，阻礙了其在三維柔性設(shè)備上的應(yīng)用。為了制備復(fù)雜的三維柔性器件，迫切需要開發(fā)新的液態(tài)金屬三維圖案法。

  近期研究表明，在毛細(xì)力的作用下，液體可被限制在晶格結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域內(nèi)，因此可以控制晶格結(jié)構(gòu)的大小實(shí)現(xiàn)液體流動(dòng)路徑的編程。受此啟發(fā)，新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授和東南大學(xué)劉小將研究員研究團(tuán)隊(duì)提出了一種毛細(xì)力輔助液態(tài)金屬三維圖案法，并將其應(yīng)用于制造三維柔性導(dǎo)電材料。該團(tuán)隊(duì)使用高精度數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)制備了柔性晶格結(jié)構(gòu)；在毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)下，液態(tài)金屬顆粒/溶劑分散液能夠沿編程的路徑流動(dòng)，最后在特定的晶格柱表面沉積并連接成膜。該工作以“Capillarity-Assisted 3D Patterning of Liquid Metal”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。

圖1. 通過毛細(xì)力輔助實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在多級(jí)結(jié)構(gòu)中的三維圖案化

  由于液態(tài)金屬的氧化生成的氧化層會(huì)阻礙液滴流動(dòng)，因此，需要對(duì)液態(tài)金屬的流變性進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)表明，液態(tài)金屬顆粒/乙醇分散液在柔性樹脂表面的接觸角接近0°，可自發(fā)流入晶格結(jié)構(gòu)并潤濕微柱表面，從而實(shí)現(xiàn)精確三維圖案化。不同尺寸的晶格結(jié)構(gòu)對(duì)液體高度限制影響揭示了該方法的可調(diào)控性。

圖2. DLP打印柔性晶格結(jié)構(gòu)中的液體流動(dòng)行為

  通過浸沒或注射工藝可實(shí)現(xiàn)特定路徑的精確圖案化，其中液態(tài)金屬提供導(dǎo)電性，晶格結(jié)構(gòu)則賦予了柔性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用該方法可以簡便地制備功能性結(jié)構(gòu)，包括三維電路、電磁屏蔽材料、以及可穿戴傳感器。因此，該團(tuán)隊(duì)提出的液態(tài)金屬三維圖案技術(shù)在柔性電子高度集成和可定制中展現(xiàn)了巨大潛力。

圖3. 免組裝可穿戴傳感器的制造與測(cè)試

  團(tuán)隊(duì)介紹：該工作第一作者是新加坡南洋理工大學(xué)博士生高銘，通訊作者是南洋理工大學(xué)周琨教授和東南大學(xué)劉小將研究員，文章合著者包括南洋理工大學(xué)博士生范靜波、高婧雯，東南大學(xué)碩士生周煜寧。其中周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學(xué)數(shù)字制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和新加坡3D打印中心，研究內(nèi)容聚焦于1）粉床熔融、擠出成型、光固化、定向能量沉積等增材制造技術(shù)、2）先進(jìn)聚合物及金屬材料研發(fā)、3）先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多尺度模擬仿真。劉小將研究員課題組工作聚焦于1）高精度3D打印技術(shù)、2）微流體芯片、3）人體器官芯片、4）光子晶體檢測(cè)技術(shù)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415819