最近，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院齊殿鵬教授團(tuán)隊的綜述文章“From liquid metal to stretchable electronics:Overcoming the surface tension”在Science China Materials(SCMs)期刊在線發(fā)表，總結(jié)了近年來通過克服表面張力使液態(tài)金屬可拉伸電子器件化的研究進(jìn)展。

液態(tài)金屬（LMs）是在室溫下同時具備金屬導(dǎo)電性以及液體延展性的金屬。不同于廣為人知的金屬汞，鎵及其合金因其低毒性和超低蒸汽壓而具備在可拉伸電子領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的潛力。可拉伸電子器件是指在被拉長的條件下保持其功能的電路和電子元件，這種器件在許多現(xiàn)有芯片技術(shù)無法實現(xiàn)的系統(tǒng)中大放異彩，并且可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子設(shè)備的不足，例如輔助和替代傳統(tǒng)的生理檢測系統(tǒng)等。這類器件同時對材料的高導(dǎo)電性和高延展性提出了要求，而液態(tài)金屬十分契合這兩個重要特性。然而，在使液態(tài)金屬可拉伸電子器件化的過程中存在一個天然的阻礙，即液態(tài)金屬的高表面張力（＞600 mN/m）。其高表面張力阻止液態(tài)金屬潤濕大多數(shù)表面，并支持其自發(fā)形成球形液滴的傾向，進(jìn)而難以形成電子器件要求的圖案。

該文從克服液態(tài)金屬表面張力的角度出發(fā)，將液態(tài)金屬的成型方式分為利用宏觀機(jī)械力、改變顆粒尺寸、相變及改變潤濕特性這四個策略。克服了表面張力的阻礙后，液態(tài)金屬在傳感、能量收集等方面有巨大的應(yīng)用前景。此外，該文還討論了目前該領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖1克服液態(tài)金屬表面張力的四種策略及其成型的難易程度

圖文要點

液態(tài)金屬及其氧化層

液態(tài)金屬在含有微量氧氣的環(huán)境中就會被氧化，形成0.5–5 nm的自限的氧化層，獲得保持非球面形狀的能力。

圖2液態(tài)金屬及其氧化層的性質(zhì)

（1）使用宏觀機(jī)械力

宏觀機(jī)械力在此特指用來限制液態(tài)金屬表面張力，使其保持非球形狀的力。研究人員通過小直徑的通道將液態(tài)金屬擠出或吸收，在氧化層的幫助下形成明顯超過瑞利極限的圓柱體形狀。

圖3 3D打印成型液態(tài)金屬

圖4半開放式通道填充和微通道注射法成型液態(tài)金屬

（2）減小顆粒尺寸

使用超聲和剪切等自上而下的方法將液態(tài)金屬從一個大的液滴分割成許多微米級或納米級的液滴，并保證其粒度分布相對均勻。氧化層或其他人工形成的表面修飾將暫時阻止液滴的重新結(jié)合。可拉伸電子設(shè)備的圖案可以通過排列這些液滴來繪制，這相當(dāng)于通過減小粒徑以增加比表面積（增加氧化層比例）進(jìn)而降低表面張力。

圖5減小粒徑使液態(tài)金屬成型

（3）相變

由于液態(tài)金屬的低熔點（不超過16℃），采取冷凍相變使液態(tài)金屬凝固加強(qiáng)了內(nèi)部分子與表面分子的結(jié)合力，能更徹底地克服液態(tài)金屬的表面張力。改變相位作為一種輔助方法，與使用機(jī)械外力的方法相結(jié)合，可有效增強(qiáng)液態(tài)金屬在成型過程中的穩(wěn)定性。

（4）改變潤濕特性

除了某些特定材料的表面（金、銅、錫等）可以潤濕外，使用施加電壓等方法也可以改變液態(tài)金屬的潤濕特性，使其在基材表面擴(kuò)散，在此基礎(chǔ)上可以制造出可拉伸的電子設(shè)備。

圖6冷凍相變及改變潤濕特性使液態(tài)金屬成型

總結(jié)和展望

雖然基于液態(tài)金屬的成型技術(shù)及其應(yīng)用的研究在過去十幾年中得到快速發(fā)展，但是在這些電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用前，仍有一些挑戰(zhàn)亟待解決。

首先，液態(tài)金屬能在可拉伸電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，很大程度上取決于其流體特性，單純使用彈性體封裝液態(tài)金屬，通常不存在泄漏的風(fēng)險。盡管如此，在需要外部導(dǎo)體連接電子設(shè)備的電路中，無論是作為導(dǎo)體還是電子設(shè)備，液態(tài)金屬被彈性體覆蓋的結(jié)構(gòu)都需要與其他導(dǎo)體接觸。如果用剛性導(dǎo)體來接觸，由于液態(tài)金屬的流體性質(zhì)，剛性導(dǎo)體需要植入彈性體。彈性體和剛性導(dǎo)體之間的楊氏模量相差幾個數(shù)量級，這導(dǎo)致在工作過程中容納剛性導(dǎo)體的彈性體通道被擴(kuò)大，有泄露的風(fēng)險。如果利用水凝膠等可拉伸導(dǎo)體作為觸點，由于其阻值相對較大，設(shè)備的性能會有較大損失。因此，適當(dāng)?shù)倪B接方法仍有待開發(fā)。

其次，液態(tài)金屬在一些特定材料的光滑表面上顯示出良好的鋪展性能，如金、鋅和銅。良好的鋪展性能來自于液態(tài)金屬對這些材料的吸收。液態(tài)金屬會進(jìn)入材料的晶格，使其產(chǎn)生脆性。然而，在液態(tài)金屬吸收這些元素后，其氧化層的性質(zhì)是否發(fā)生變化，是否能保持原來的形狀，仍有待研究。由這些材料制成的電子器件的使用壽命和穩(wěn)定性也值得關(guān)注。

最后，關(guān)于液態(tài)金屬內(nèi)部氧化層的動力學(xué)的許多問題都值得討論，這將實現(xiàn)對氧化層更精確和全面的調(diào)控，并大大擴(kuò)展液態(tài)金屬在可拉伸電子器件中的應(yīng)用。