液态金属微凝胶墨水3D打印柔性电子

119 Liquid Metal Microgels for Three-Dimensional Printing of Smart Electronic Clothes.pdf

【背景】液态金属的可流动性和高导电性被广泛应用于柔性电子器件制造，然而过大的表面张力导致液态金属易团聚成球，难以保持理想的电路状态。低成本的丝网印刷及喷墨打印很难用于构造液态金属基柔性电子。此外，由于液态金属（LM）的粘附力弱，柔性电子的基底可供选择的余地很小，大多数现有的图案化策略仅可用于极少数能被液态金属润湿的基板。

针对上述挑战，EFL团队提出了一种独特的液态金属-微凝胶墨水用以在不同种类的材料上直接打印制造的液态金属基柔性电子设备。相关工作“Liquid Metal Microgels for Three-Dimensional Printing of Smart Electronic Clothes”发表在ACS Applied Materials & Interfaces杂志上，武鹏程硕士生为第一作者，贺永教授为通讯作者。

这种液态金属-微凝胶（liquid metal microgel，LMM）墨水是一种由包裹在微凝胶壳中的液态金属微滴组成的浓缩混合物。液态金属微凝胶的形成机制是：核壳结构的构建得益于Ga3+与海藻酸盐分子链之间的交联反应，在液态金属微颗粒表面形成一层海藻酸镓外壳，机械破碎液态金属会加速这一反应过程，促进Ga³⁺进入溶液中与海藻酸钠反应。很有趣的，由于微凝胶壳的包裹，这种液态金属微凝胶墨水可打印性能非常好，从玻璃、PET、织物到PDMS都可以作为打印基底，极大地拓展了液态金属的应用场景。

图1 LMM墨水的制备过程及其打印过程

不仅如此，LMM具有独特的激活特性：初始状态不导电，但在机械激活（按压或微拉伸）和冷冻激活后可以重新恢复导电性，其激活原理如图2所示。LMM墨水的激活特性很大程度上得益于墨水内部干燥的藻酸盐网络，脆弱的藻酸盐网络在微小的变形下就会被破坏，从而释放液态金属形成通路。

图2 LMM墨水的激活机制

激活后的LMM墨水保持了液态金属出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应，是一种制造软传感器的理想导电材料。同时，该墨水还具备出色的可打印性，使得液态金属基柔性电子器件的高效、可靠的打印成为了可能。

图3 使用LMM墨水打印的柔性传感器的机电性能表征

随后，我们又研究了LMM墨水在打印软加热器时的性能表现，结果显示，打印的LMM线路具有衣服很好的贴合性，能够直接在市场上购买的连裤袜上打印柔性加热器，在低温环境中实现快速加热的功能，且供电电压只需要2.5V。

图4  LMM墨水打印的柔性电路的焦耳热性能表征

       基于LMM墨水良好的基底亲附性，我们打印了触觉传感器，并通过控制按压网球时间的长短，表示摩斯码的“线”和“点”，输出了表示“ZJUME”的文本。随后在市售的短袖T恤衫上打印了NFC线圈、复杂电路等，并在紧身袖和连裤袜上打印了关节运动传感器，能够用于检测肢体运动。并且，通过在连裤袜上打印“ZJU”形状的柔性加热电路实现了自产热衣物的制造。

图5 使用LMM墨水打印的智能电子衣服

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c22975