Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
Aquí demostramos as propiedades de humectación espontáneas e selectivas inducidas pola imbibición das aliaxes de metais líquidos a base de galio en superficies metalizadas con características topográficas a microescala.As aliaxes de metal líquido a base de galio son materiais sorprendentes cunha tensión superficial enorme.Polo tanto, é difícil formalos en películas finas.A humectación completa da aliaxe eutéctica de galio e indio logrouse na superficie de cobre microestruturada en presenza de vapores de HCl, que eliminaron o óxido natural da aliaxe de metal líquido.Esta humectación explícase numericamente baseándose no modelo de Wenzel e no proceso de ósmose, mostrando que o tamaño da microestrutura é fundamental para a humectación eficiente dos metais líquidos inducida pola ósmose.Ademais, demostramos que a humectación espontánea de metais líquidos pode dirixirse selectivamente ao longo de rexións microestructuradas sobre unha superficie metálica para crear patróns.Este sinxelo proceso recubre e moldea uniformemente o metal líquido en grandes áreas sen forza externa nin manipulación complexa.Demostramos que os substratos con patróns de metal líquido manteñen as conexións eléctricas mesmo cando se estiran e despois de ciclos repetidos de estiramento.
As aliaxes de metais líquidos a base de galio (GaLM) chamaron moita atención debido ás súas propiedades atractivas, como o baixo punto de fusión, a alta condutividade eléctrica, a baixa viscosidade e fluxo, a baixa toxicidade e a alta deformabilidade1,2.O galio puro ten un punto de fusión duns 30 °C, e cando se fusiona en composicións eutécticas con algúns metais como In e Sn, o punto de fusión está por debaixo da temperatura ambiente.Os dous GaLM importantes son a aliaxe eutéctica de galio-indio (EGaIn, 75% Ga e 25% In en peso, punto de fusión: 15,5 °C) e a aliaxe eutéctica de galio-indio e estaño (GaInSn ou galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In e 10). % estaño, punto de fusión: ~11 °C)1.2.Debido á súa condutividade eléctrica na fase líquida, os GaLM están sendo investigados activamente como vías electrónicas de tracción ou deformación para unha variedade de aplicacións, incluíndo sensores electrónicos 3,4,5,6,7,8,9 tensos ou curvados 10, 11, 12. , 13, 14 e derivacións 15, 16, 17. A fabricación destes dispositivos mediante deposición, impresión e modelado a partir de GaLM require o coñecemento e control das propiedades interfaciais de GaLM e do seu substrato subxacente.Os GaLM teñen unha tensión superficial elevada (624 mNm-1 para EGaIn18,19 e 534 mNm-1 para Galinstan20,21) o que pode dificultar a súa manipulación ou manipulación.A formación dunha codia dura de óxido de galio nativo na superficie de GaLM en condicións ambientais proporciona unha capa que estabiliza o GaLM nunha forma non esférica.Esta propiedade permite imprimir GaLM, implantarse en microcanles e modelar coa estabilidade interfacial conseguida polos óxidos19,22,23,24,25,26,27.A capa de óxido duro tamén permite que o GaLM se adhira á maioría das superficies lisas, pero evita que os metais de baixa viscosidade flúen libremente.A propagación de GaLM na maioría das superficies require forza para romper a capa de óxido28,29.
As cascas de óxido pódense eliminar con, por exemplo, ácidos ou bases fortes.En ausencia de óxidos, o GaLM forma pingas en case todas as superficies debido á súa enorme tensión superficial, pero hai excepcións: o GaLM molla substratos metálicos.Ga forma enlaces metálicos con outros metais mediante un proceso coñecido como "humectación reactiva"30,31,32.Esta humectación reactiva adoita examinarse en ausencia de óxidos de superficie para facilitar o contacto metal con metal.Non obstante, mesmo con óxidos nativos en GaLM, informouse de que os contactos metal a metal fórmanse cando os óxidos rompen ao contacto con superficies metálicas lisas29.A humectación reactiva produce ángulos de contacto baixos e unha boa humectación da maioría dos substratos metálicos33,34,35.
Ata a data, realizáronse moitos estudos sobre o uso das propiedades favorables da humectación reactiva de GaLM con metais para formar un patrón de GaLM.Por exemplo, o GaLM aplicouse a pistas de metais sólidos estampados mediante manchas, rolamentos, pulverización ou enmascaramento de sombras34, 35, 36, 37, 38. A humectación selectiva de GaLM en metais duros permite que GaLM forme patróns estables e ben definidos.Non obstante, a alta tensión superficial do GaLM dificulta a formación de películas finas moi uniformes mesmo sobre substratos metálicos.Para abordar este problema, Lacour et al.informou dun método para producir películas finas de GaLM lisas e planas sobre grandes áreas mediante a evaporación de galio puro sobre substratos microestruturados revestidos de ouro37,39.Este método require a deposición ao baleiro, que é moi lenta.Ademais, o GaLM xeralmente non está permitido para estes dispositivos debido á posible fragilización40.A evaporación tamén deposita o material no substrato, polo que é necesario un patrón para crear o patrón.Buscamos unha forma de crear películas e patróns suaves de GaLM deseñando elementos metálicos topográficos que GaLM molla espontánea e selectivamente en ausencia de óxidos naturais.Aquí informamos da humectación selectiva espontánea de EGaIn libre de óxidos (GaLM típico) usando o comportamento de humectación único en substratos metálicos estruturados fotolitograficamente.Creamos estruturas de superficie definidas fotolitograficamente a nivel micro para estudar a imbibición, controlando así a humectación de metais líquidos libres de óxidos.As propiedades de humectación melloradas de EGaIn en superficies metálicas microestruturadas explícanse mediante análise numérica baseada no modelo de Wenzel e no proceso de impregnación.Finalmente, demostramos a deposición de grandes áreas e o patrón de EGaIn mediante a autoabsorción, a humectación espontánea e selectiva en superficies de deposición metálicas microestruturadas.Preséntanse como posibles aplicacións electrodos de tracción e galgas extensométricas que incorporan estruturas EGaIn.
A absorción é un transporte capilar no que o líquido invade a superficie texturizada 41, o que facilita a dispersión do líquido.Investigamos o comportamento de humectación de EGaIn en superficies metálicas microestructuradas depositadas en vapor de HCl (Fig. 1).O cobre escolleuse como metal para a superficie subxacente. En superficies planas de cobre, EGaIn mostrou un ángulo de contacto baixo de <20 ° en presenza de vapor de HCl, debido á humectación reactiva31 (figura complementaria 1). En superficies planas de cobre, EGaIn mostrou un ángulo de contacto baixo de <20 ° en presenza de vapor de HCl, debido á humectación reactiva31 (figura complementaria 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутстви паростви парова-зкий HCl вания31 (дополнительный рисунок 1). En superficies planas de cobre, EGaIn mostrou un ángulo de contacto baixo <20 ° en presenza de vapor de HCl debido á humectación reactiva31 (Figura complementaria 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显示出的情况下显示出显示出应润湿湿 蒥 1 蒸 在存在HCl图1）.在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn在存在HCl На плоских медных поверхностях EGaIn демонстрирует низкие краевые углы <20 ° в присутстви краевые присутстви краевые присутстви На плоских мачивания (дополнительный рисунок 1). En superficies planas de cobre, EGaIn presenta baixos ángulos de contacto <20 ° en presenza de vapor de HCl debido á humectación reactiva (Figura complementaria 1).Medimos os ángulos de contacto próximos de EGaIn en cobre a granel e en películas de cobre depositadas sobre polidimetilsiloxano (PDMS).
a Microestruturas columnares (D (diámetro) = l (distancia) = 25 µm, d (distancia entre columnas) = ​​50 µm, H (altura) = 25 µm) e piramidais (ancho = 25 µm, altura = 18 µm) en microestruturas de Cu /Sustratos PDMS.b Cambios dependentes do tempo no ángulo de contacto en substratos planos (sen microestruturas) e matrices de piares e pirámides que conteñen PDMS revestidos de cobre.c, d Gravación de intervalos de (c) vista lateral e (d) vista superior de EGaIn mollando na superficie con alicerces en presenza de vapor de HCl.
Para avaliar o efecto da topografía na humectación, preparáronse substratos de PDMS cun patrón columnar e piramidal, sobre os que se depositou cobre cunha capa adhesiva de titanio (Fig. 1a).Demostrouse que a superficie microestruturada do substrato PDMS estaba recuberta de forma conforme con cobre (figura complementaria 2).Os ángulos de contacto dependentes do tempo de EGaIn en PDMS estampados e planos con cobre (Cu/PDMS) móstranse nas Figs.1b.O ángulo de contacto de EGaIn en cobre estampado/PDMS cae a 0° en ~1 min.A humectación mellorada das microestruturas EGaIn pode ser aproveitada pola ecuación de Wenzel\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ {{{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), onde \({\theta}_{{rugoso}}\) representa o ángulo de contacto da superficie rugosa, \ (r \) Rugosidade da superficie (= área real/área aparente) e ángulo de contacto no plano \({\theta}_{0}\).Os resultados da humectación mellorada de EGaIn nas superficies estampadas están en boa concordancia co modelo de Wenzel, xa que os valores de r para as superficies estampadas traseira e piramidal son 1,78 e 1,73, respectivamente.Isto tamén significa que unha gota EGaIn situada nunha superficie estampada penetrará nos sucos do relevo subxacente.É importante ter en conta que neste caso fórmanse películas planas moi uniformes, en contraste co caso de EGaIn en superficies non estruturadas (figura complementaria 1).
Da fig.1c,d (Película complementaria 1) pódese ver que despois de 30 s, a medida que o ángulo de contacto aparente se achega aos 0 °, EGaIn comeza a difundirse máis lonxe do bordo da gota, o que é causado pola absorción (Película complementaria 2 e complementaria). Fig. 3).Estudos anteriores de superficies planas asociaron a escala de tempo da humectación reactiva coa transición da humectación inercial a viscosa.O tamaño do terreo é un dos factores clave para determinar se se produce o autocebado.Ao comparar a enerxía da superficie antes e despois da imbibición desde un punto de vista termodinámico, obtívose o ángulo de contacto crítico \({\theta}_{c}\) da imbibición (consulta Discusión complementaria para máis detalles).O resultado \({\theta}_{c}\) defínese como \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) onde \({\phi}_{s}\) representa a área fraccionaria na parte superior do poste e \(r\ ) representa a rugosidade da superficie. A imbibición pode ocorrer cando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), é dicir, o ángulo de contacto nunha superficie plana. A imbibición pode ocorrer cando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), é dicir, o ángulo de contacto nunha superficie plana. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.e.контактный угол на плоской поверхности. A absorción pode ocorrer cando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), é dicir, o ángulo de contacto nunha superficie plana.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 происходит, когда \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактный угол на плоскости. A succión ocorre cando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), ángulo de contacto no plano.Para superficies con patrón posterior, \(r\) e \({\phi}_{s}\) calcúlanse como \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) e \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), onde \(R\) representa o raio da columna, \(H\) representa a altura da columna e \ ( d\) é a distancia entre os centros de dous piares (Fig. 1a).Para a superficie postestructurada da fig.1a, o ángulo \({\theta}_{c}\) é de 60°, que é maior que o plano \({\theta}_{0}\) (~25°) en vapor de HCl EGaIn libre de óxidos en Cu/PDMS.Polo tanto, as pingas de EGaIn poden invadir facilmente a superficie estruturada de deposición de cobre na figura 1a debido á absorción.
Para investigar o efecto do tamaño topográfico do patrón sobre a humectación e absorción de EGaIn, variamos o tamaño dos piares revestidos de cobre.Sobre a fig.A figura 2 mostra os ángulos de contacto e a absorción de EGaIn nestes substratos.A distancia l entre as columnas é igual ao diámetro das columnas D e oscila entre 25 e 200 μm.A altura de 25 µm é constante para todas as columnas.\({\theta}_{c}\) diminúe ao aumentar o tamaño da columna (Táboa 1), o que significa que a absorción é menos probable en substratos con columnas máis grandes.Para todos os tamaños probados, \({\theta}_{c}\) é maior que \({\theta}_{0}\) e espérase unha absorción.Non obstante, raramente se observa a absorción para superficies post-estampadas con l e D 200 µm (Fig. 2e).
a Ángulo de contacto dependente do tempo de EGaIn nunha superficie de Cu/PDMS con columnas de diferentes tamaños despois da exposición ao vapor de HCl.b–e Vistas superior e lateral da molladura EGaIn.b D = l = 25 µm, r = 1,78.en D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Todos os postes teñen unha altura de 25 µm.Estas imaxes foron tomadas polo menos 15 minutos despois da exposición ao vapor de HCl.As gotas de EGaIn son auga resultante da reacción entre o óxido de galio e o vapor de HCl.Todas as barras de escala en (b – e) son de 2 mm.
Outro criterio para determinar a probabilidade de absorción do líquido é a fixación do líquido na superficie despois de aplicar o patrón.Kurbin et al.Informeuse de que cando (1) os postes son o suficientemente altos, as pingas serán absorbidas pola superficie estampada;(2) a distancia entre as columnas é bastante pequena;e (3) o ángulo de contacto do líquido na superficie é suficientemente pequeno42.Numericamente \({\theta}_{0}\) do fluído nun plano que contén o mesmo material de substrato debe ser menor que o ángulo de contacto crítico para fixar, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), para a absorción sen fixar entre postes, onde \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (consulta a discusión adicional para máis detalles).O valor de \({\theta}_{c,{pin}}\) depende do tamaño do pin (táboa 1).Determine o parámetro adimensional L = l/H para xulgar se se produce a absorción.Para a absorción, L debe ser inferior ao estándar do limiar, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\grande\}\).Para EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) nun substrato de cobre \({L}_{c}\) é 5,2.Dado que a columna L de 200 μm é 8, que é maior que o valor de \({L}_{c}\), a absorción de EGaIn non se produce.Para probar aínda máis o efecto da xeometría, observamos o autocebado de varios H e l (figura complementaria 5 e táboa complementaria 1).Os resultados concordan ben cos nosos cálculos.Así, L resulta ser un predictor eficaz da absorción;o metal líquido deixa de absorber debido ao pinning cando a distancia entre os piares é relativamente grande en comparación coa altura dos piares.
A moxabilidade pódese determinar en función da composición da superficie do substrato.Investigamos o efecto da composición da superficie na humectación e absorción de EGaIn co-depositando Si e Cu en piares e planos (figura complementaria 6).O ángulo de contacto EGaIn diminúe de ~160° a ~80° a medida que a superficie binaria Si/Cu aumenta de 0 a 75% cun contido de cobre plano.Para unha superficie de 75% Cu/25% Si, \({\theta}_{0}\) é ~80°, o que corresponde a \({L}_{c}\) igual a 0,43 segundo a definición anterior. .Dado que as columnas l = H = 25 μm con L igual a 1 maior que o limiar \({L}_{c}\), a superficie 75% Cu/25% Si despois do patrón non se absorbe debido á inmobilización.Dado que o ángulo de contacto de EGaIn aumenta coa adición de Si, requírese un H máis alto ou un l inferior para superar o pinning e a impregnación.Polo tanto, dado que o ángulo de contacto (é dicir, \({\theta}_{0}\)) depende da composición química da superficie, tamén pode determinar se a imbibición ocorre na microestrutura.
A absorción de EGaIn en cobre/PDMS estampado pode mollar o metal líquido en patróns útiles.Para avaliar o número mínimo de liñas de columna que causan a imbibición, observáronse as propiedades de humectación de EGaIn en Cu/PDMS con liñas de post-patrón que conteñen diferentes números de liñas de columna do 1 ao 101 (Fig. 3).A molladura ocorre principalmente na rexión posterior ao patrón.Observouse de forma fiable a absorción de EGaIn e a lonxitude da mecha aumentou co número de filas de columnas.A absorción case nunca se produce cando hai postes con dúas ou menos liñas.Isto pode deberse ao aumento da presión capilar.Para que a absorción se produza nun patrón columnar, debe superarse a presión capilar causada pola curvatura da cabeza EGaIn (figura complementaria 7).Asumindo un radio de curvatura de 12,5 µm para un cabezal EGaIn dunha soa fila cun patrón columnar, a presión capilar é de ~0,98 atm (~740 Torr).Esta alta presión de Laplace pode evitar a humectación causada pola absorción de EGaIn.Ademais, menos filas de columnas poden reducir a forza de absorción que se debe á acción capilar entre EGaIn e as columnas.
a Gotas de EGaIn sobre Cu/PDMS estruturado con patróns de diferentes anchos (w) no aire (antes da exposición ao vapor de HCl).Filas de bastidores que comezan pola parte superior: 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) e 11 (w = 525 µm).b Mollaxe direccional de EGaIn en (a) despois da exposición ao vapor de HCl durante 10 min.c, d Mollaxe de EGaIn en Cu/PDMS con estruturas columnares (c) dúas filas (w = 75 µm) e (d) unha fila (w = 25 µm).Estas imaxes foron tomadas 10 minutos despois da exposición ao vapor de HCl.As barras de escala en (a, b) e (c, d) son de 5 mm e 200 µm, respectivamente.As frechas en (c) indican a curvatura da cabeza EGaIn debido á absorción.
A absorción de EGaIn en Cu/PDMS post-patrón permite que EGaIn se forme por humectación selectiva (Fig. 4).Cando se coloca unha gota de EGaIn nunha zona con patróns e se expón ao vapor de HCl, a gota de EGaIn colapsa primeiro, formando un pequeno ángulo de contacto mentres o ácido elimina a escama.Posteriormente, a absorción comeza desde o bordo da gota.O patrón de gran área pódese conseguir a partir de EGaIn a escala centimétrica (Fig. 4a, c).Dado que a absorción ocorre só na superficie topográfica, EGaIn só molla a área do patrón e case deixa de mollar cando chega a unha superficie plana.En consecuencia, obsérvanse límites nítidos dos patróns EGaIn (Fig. 4d, e).Sobre a fig.A figura 4b mostra como EGaIn invade a rexión non estruturada, especialmente ao redor do lugar onde se colocou orixinalmente a pinga de EGaIn.Isto debeuse a que o diámetro máis pequeno das gotas de EGaIn utilizadas neste estudo superou o ancho das letras estampadas.Colocáronse gotas de EGaIn no lugar do patrón mediante inxección manual a través dunha agulla e unha xiringa de 27-G, dando como resultado gotas cun tamaño mínimo de 1 mm.Este problema pódese resolver usando gotas EGaIn máis pequenas.En xeral, a Figura 4 demostra que a humectación espontánea de EGaIn pode ser inducida e dirixida a superficies microestructuradas.En comparación co traballo anterior, este proceso de humectación é relativamente rápido e non se precisa forza externa para lograr a humectación completa (Táboa complementaria 2).
emblema da universidade, a letra b, c en forma de raio.A rexión absorbente está cuberta cunha matriz de columnas con D = l = 25 µm.d, imaxes ampliadas de costelas en e (c).As barras de escala en (a–c) e (d, e) son de 5 mm e 500 µm, respectivamente.En (c–e), pequenas gotas na superficie despois da adsorción convértense en auga como resultado da reacción entre o óxido de galio e o vapor de HCl.Non se observou ningún efecto significativo da formación de auga sobre a humectación.A auga elimínase facilmente mediante un sinxelo proceso de secado.
Debido á natureza líquida de EGaIn, pódese usar Cu/PDMS revestido de EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) para electrodos flexibles e estirables.A figura 5a compara os cambios de resistencia de Cu/PDMS orixinais e EGaIn/Cu/PDMS baixo diferentes cargas.A resistencia de Cu/PDMS aumenta bruscamente en tensión, mentres que a resistencia de EGaIn/Cu/PDMS permanece baixa en tensión.Sobre a fig.5b e d mostran imaxes SEM e os correspondentes datos EMF de Cu/PDMS en bruto e EGaIn/Cu/PDMS antes e despois da aplicación de tensión.Para o Cu/PDMS intacto, a deformación pode causar fendas na película dura de Cu depositada no PDMS debido á falta de coincidencia de elasticidade.Pola contra, para EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn aínda recubre ben o substrato de Cu/PDMS e mantén a continuidade eléctrica sen fisuras nin deformacións significativas mesmo despois de aplicar a tensión.Os datos de EDS confirmaron que o galio e o indio de EGaIn distribuíronse uniformemente no substrato Cu/PDMS.Cabe destacar que o grosor da película EGaIn é o mesmo e comparable coa altura dos piares. Isto tamén se confirma cunha análise topográfica adicional, onde a diferenza relativa entre o grosor da película EGaIn e a altura do poste é <10% (figura complementaria 8 e táboa 3). Isto tamén se confirma cunha análise topográfica adicional, onde a diferenza relativa entre o grosor da película EGaIn e a altura do poste é <10% (figura complementaria 8 e táboa 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разная разнейшим топографическим анализом EGaIn и высотой столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 e таблица 3). Isto tamén se confirma cunha análise topográfica adicional, onde a diferenza relativa entre o grosor da película EGaIn e a altura da columna é <10% (figura complementaria 8 e táboa 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度之间度之间傹的幋间皹10% 8 和表3）. <10 % Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная ральная ральнейшим топографическим анализом енки EGaIn и высотой столба составляла <10% (дополнительный рис. 8 e таблица 3). Isto tamén se confirmou mediante unha análise topográfica adicional, onde a diferenza relativa entre o grosor da película EGaIn e a altura da columna foi <10% (figura complementaria 8 e táboa 3).Esta humectación baseada en imbibición permite que o grosor dos revestimentos EGaIn estea ben controlado e que se manteña estable en grandes áreas, o que por outra banda é un reto debido á súa natureza líquida.As figuras 5c e e comparan a condutividade e a resistencia á deformación do Cu/PDMS orixinal e EGaIn/Cu/PDMS.Na demostración, o LED acendeuse ao conectarse a electrodos de Cu/PDMS ou EGaIn/Cu/PDMS sen tocar.Cando se estira Cu/PDMS intacto, o LED apágase.Non obstante, os electrodos EGaIn/Cu/PDMS permaneceron conectados eléctricamente mesmo baixo carga, e a luz LED só diminuíu lixeiramente debido ao aumento da resistencia do electrodo.
a A resistencia normalizada cambia co aumento da carga en Cu/PDMS e EGaIn/Cu/PDMS.b, d Imaxes SEM e análise de espectroscopia de raios X de dispersión de enerxía (EDS) antes (arriba) e despois (abaixo) de polidiplexes cargados en (b) Cu/PDMS e (d) EGaIn/Cu/metilsiloxano.c, e LEDs conectados a (c) Cu/PDMS e (e) EGaIn/Cu/PDMS antes (arriba) e despois (abaixo) de estiramento (~ 30% de tensión).A barra de escala en (b) e (d) é de 50 µm.
Sobre a fig.6a mostra a resistencia de EGaIn/Cu/PDMS en función da tensión do 0% ao 70%.O aumento e a recuperación da resistencia é proporcional á deformación, o que concorda coa lei de Pouillet para materiais incompresibles (R/R0 = (1 + ε)2), onde R é a resistencia, R0 é a resistencia inicial, ε é a deformación 43. Outros estudos demostraron que cando se estiran, as partículas sólidas nun medio líquido poden reorganizarse e distribuírse de xeito máis uniforme cunha mellor cohesión, reducindo así o aumento da resistencia 43, 44 . Neste traballo, con todo, o condutor é >99% de metal líquido en volume xa que as películas de Cu só teñen un espesor de 100 nm. Neste traballo, con todo, o condutor é >99% de metal líquido en volume xa que as películas de Cu só teñen un espesor de 100 nm. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как птленю 10 nm. Non obstante, neste traballo, o condutor está formado por >99% de metal líquido en volume, xa que as películas de Cu só teñen un espesor de 100 nm.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（液态有有然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99%Non obstante, neste traballo, dado que a película de Cu ten só 100 nm de espesor, o condutor está formado por máis do 99% de metal líquido (en volume).Polo tanto, non esperamos que o Cu faga unha contribución significativa ás propiedades electromecánicas dos condutores.
un cambio normalizado na resistencia EGaIn/Cu/PDMS fronte á tensión no rango 0-70%.O estrés máximo alcanzado antes do fallo do PDMS foi do 70% (figura complementaria 9).Os puntos vermellos son valores teóricos previstos pola lei de Puet.b Ensaio de estabilidade da condutividade EGaIn/Cu/PDMS durante ciclos de estiramento-estiramento repetidos.Na proba cíclica utilizouse unha cepa do 30%.A barra de escala no inserto é de 0,5 cm.L é a lonxitude inicial de EGaIn/Cu/PDMS antes de estirar.
O factor de medida (GF) expresa a sensibilidade do sensor e defínese como a relación entre o cambio de resistencia e o cambio de tensión45.O GF aumentou de 1,7 ao 10% de tensión a 2,6 ao 70% de tensión debido ao cambio xeométrico do metal.En comparación con outros extensómetros, o valor GF EGaIn/Cu/PDMS é moderado.Como sensor, aínda que o seu GF pode non ser particularmente alto, o EGaIn/Cu/PDMS presenta un cambio de resistencia robusto en resposta a unha baixa relación sinal/ruído.Para avaliar a estabilidade da condutividade de EGaIn/Cu/PDMS, monitorizouse a resistencia eléctrica durante ciclos repetidos de estiramento e estiramento ao 30 % de tensión.Como se mostra na fig.6b, despois de 4000 ciclos de estiramento, o valor de resistencia mantívose dentro do 10%, o que pode deberse á formación continua de escala durante ciclos de estiramento repetidos46.Así, confirmouse a estabilidade eléctrica a longo prazo de EGaIn/Cu/PDMS como electrodo estirable e a fiabilidade do sinal como galga de tensión.
Neste artigo, discutimos as propiedades de humectación melloradas do GaLM en superficies metálicas microestructuradas causadas pola infiltración.A humectación espontánea completa de EGaIn conseguiuse en superficies metálicas columnares e piramidais en presenza de vapor de HCl.Isto pódese explicar numericamente baseándose no modelo de Wenzel e no proceso de mecha, que mostra o tamaño da post-microestrutura necesaria para a molladura inducida pola mecha.A humectación espontánea e selectiva de EGaIn, guiada por unha superficie metálica microestruturada, permite aplicar revestimentos uniformes sobre grandes superficies e formar patróns de metal líquido.Os substratos de Cu/PDMS revestidos de EGaIn manteñen as conexións eléctricas mesmo cando se estiran e despois de ciclos de estiramento repetidos, segundo confirman as medicións de SEM, EDS e resistencia eléctrica.Ademais, a resistencia eléctrica de Cu/PDMS revestido con EGaIn cambia de forma reversible e fiable en proporción á tensión aplicada, o que indica a súa aplicación potencial como sensor de tensión.As posibles vantaxes que proporciona o principio de humectación do metal líquido causado pola imbibición son as seguintes: (1) O revestimento e o patrón de Galm pódense conseguir sen forza externa;(2) A humectación de GaLM na superficie da microestrutura recuberta de cobre é termodinámica.a película GaLM resultante é estable mesmo baixo deformación;(3) cambiar a altura da columna recuberta de cobre pode formar unha película GaLM cun espesor controlado.Ademais, este enfoque reduce a cantidade de GaLM necesaria para formar a película, xa que os piares ocupan parte da película.Por exemplo, cando se introduce unha matriz de piares cun diámetro de 200 μm (cunha distancia entre os piares de 25 μm), o volume de GaLM necesario para a formación da película (~9 μm3/μm2) é comparable ao volume da película sen piares.(25 µm3/µm2).Porén, neste caso, hai que ter en conta que a resistencia teórica, estimada segundo a lei de Puet, tamén se incrementa en nove veces.En xeral, as propiedades únicas de humectación dos metais líquidos que se comentan neste artigo ofrecen un xeito eficiente de depositar metais líquidos nunha variedade de substratos para produtos electrónicos elásticos e outras aplicacións emerxentes.
Preparáronse substratos de PDMS mesturando matriz Sylgard 184 (Dow Corning, EUA) e endurecedor en proporcións de 10:1 e 15:1 para probas de tracción, seguido de curado nun forno a 60 °C.Depositouse cobre ou silicio en obleas de silicio (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., República de Corea) e substratos PDMS cunha capa adhesiva de titanio de 10 nm de espesor mediante un sistema de pulverización catódica personalizada.As estruturas columnares e piramidais son depositadas nun substrato PDMS mediante un proceso fotolitográfico de obleas de silicio.O ancho e o alto do patrón piramidal son de 25 e 18 µm, respectivamente.A altura do patrón de barras fixouse en 25 µm, 10 µm e 1 µm, e o seu diámetro e paso variou de 25 a 200 µm.
O ángulo de contacto de EGaIn (galio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) foi medido mediante un analizador de forma de gota (DSA100S, KRUSS, Alemaña). O ángulo de contacto de EGaIn (galio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) foi medido mediante un analizador de forma de gota (DSA100S, KRUSS, Alemaña). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с померяли с поюмави Корея тора (DSA100S, KRUSS, Германия). O ángulo de bordo de EGaIn (galio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) foi medido mediante un analizador de gotas (DSA100S, KRUSS, Alemaña). 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仴形分析仪（分析仪（分析仪（分析仪（大韩民国）大韩民国）量。 EGaIn (galio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) foi medido usando un analizador de contacto (DSA100S, KRUSS, Alemaña). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) апли (DSA100S, KRUSS, Германия). O ángulo do borde de EGaIn (galio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) foi medido mediante un analizador de tapa de forma (DSA100S, KRUSS, Alemaña).Coloque o substrato nunha cámara de vidro de 5 cm × 5 cm × 5 cm e coloque unha gota de 4-5 μl de EGaIn sobre o substrato usando unha xeringa de 0,5 mm de diámetro.Para crear un medio de vapor de HCl, colocáronse 20 μL de solución de HCl (37% en peso, Samchun Chemicals, República de Corea) xunto ao substrato, que se evaporou o suficiente para encher a cámara en 10 s.
Imaxe da superficie mediante SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, República de Corea).Utilizouse EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republic of Korea) para estudar análise e distribución cualitativa elemental.A topografía superficial EGaIn/Cu/PDMS analizouse mediante un perfilómetro óptico (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
Para investigar o cambio na condutividade eléctrica durante os ciclos de estiramento, as mostras con e sen EGaIn fixéronse no equipo de estiramento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) e conectáronse eléctricamente a un medidor de fonte Keithley 2400. Para investigar o cambio na condutividade eléctrica durante os ciclos de estiramento, as mostras con e sen EGaIn fixéronse no equipo de estiramento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) e conectáronse eléctricamente a un medidor de fonte Keithley 2400. Для исследования изенения электропроводности во время циклов растжения обзцы д с л растжжения (Sistema de máquinas de flexión e extensible, SNM, респ Tesблика корее) и электрически подв aí 2400. Para estudar o cambio na condutividade eléctrica durante os ciclos de estiramento, as mostras con e sen EGaIn foron montadas nun equipo de estiramento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) e conectadas eléctricamente a un medidor de fonte Keithley 2400.Para estudar o cambio na condutividade eléctrica durante os ciclos de estiramento, as mostras con e sen EGaIn foron montadas nun dispositivo de estiramento (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, República de Corea) e conectadas eléctricamente a un Keithley 2400 SourceMeter.Mide o cambio de resistencia no intervalo do 0% ao 70% da tensión da mostra.Para a proba de estabilidade, mediuse o cambio de resistencia durante 4000 ciclos de deformación ao 30%.
Para obter máis información sobre o deseño do estudo, consulte o resumo do estudo Nature vinculado a este artigo.
Os datos que apoian os resultados deste estudo preséntanse nos ficheiros de información complementaria e datos brutos.Este artigo ofrece os datos orixinais.
Daeneke, T. et al.Metais líquidos: base química e aplicacións.Química.sociedade.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. e Dickey, MD Atributos, fabricación e aplicacións de partículas de metal líquido a base de galio. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Atributos, fabricación e aplicacións de partículas de metal líquido a base de galio.Lin, Y., Genzer, J. e Dickey, MD Propiedades, fabricación e aplicación de partículas de metal líquido a base de galio. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD 镓基液态金属颗粒的属性、制造和应用。 Lin, Y., Genzer, J. e Dickey, MDLin, Y., Genzer, J. e Dickey, MD Propiedades, fabricación e aplicación de partículas de metal líquido a base de galio.Ciencia avanzada.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Towards all-soft matter circuits: prototipos de dispositivos cuasi-líquidos con características de memristor. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Towards all-soft matter circuits: prototipos de dispositivos cuasi-líquidos con características de memristor.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD e Velev, OD A circuítos compostos enteiramente por materia branda: prototipos de dispositivos cuasi-líquidos con características de memristor. 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。 Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD e Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD e Velev, OD Towards Circuits All Soft Matter: Prototypes of Quasi-Fluid Devices with Memristor Properties.alma mater avanzada.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Interruptores de metal líquido para electrónica respetuosa co medio ambiente. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Interruptores de metal líquido para electrónica respetuosa co medio ambiente.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Interruptores de metal líquido para produtos electrónicos respectuosos co medio ambiente. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK 用于环境响应电子产品的液态金属开关。 Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Interruptores de metal líquido para produtos electrónicos respectuosos co medio ambiente.alma mater avanzada.Interface 4, 1600913 (2017).
Así, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectificación de corrente iónica en díodos de materia branda con electrodos de metal líquido. Así, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectificación de corrente iónica en díodos de materia branda con electrodos de metal líquido. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Así, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectificación de corrente iónica en díodos de material brando con electrodos de metal líquido. Así, 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。 Así, JH, Koo, HJ, Dickey, MD e Velev, OD Та, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD ионное ыыымллеи тока в диодах из мггооч атерxencia с fasкееталчччччэээээччччччччччччччччччччччччччччччесчерччесчччесччесччесчччесччесчччесчччесччесчччесччччччччччччччесчч. Así, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectificación de corrente iónica en díodos de material brando con electrodos de metal líquido.Capacidades ampliadas.alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabricación para dispositivos electrónicos totalmente brandos e de alta densidade baseados en metal líquido. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabricación para dispositivos electrónicos totalmente brandos e de alta densidade baseados en metal líquido.Kim, M.-G., Brown, DK e Brand, O. Nanofabricación para dispositivos electrónicos baseados en metal líquido totalmente brando e de alta densidade.Kim, M.-G., Brown, DK e Brand, O. Nanofabricación de produtos electrónicos de alta densidade e totalmente brandos a base de metal líquido.Comuna Nacional.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn é unha capa electrónica extensible para electrónica interactiva e localización por TC.alma mater.Nivel.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag–In–Ga E-skin for bioelectronics and human-machine interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag–In–Ga E-skin for bioelectronics and human-machine interaction.López, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. e Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag-In-Ga E-skin for bioelectronics and human-machine interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag-In-Ga E-skin for bioelectronics and human-machine interaction.López, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. e Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction.ACS
Yang, Y. et al.Nanoxeradores triboeléctricos ultra-resistentes e de enxeñería baseados en metais líquidos para produtos electrónicos portátiles.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Desenvolvemento de estruturas de microcanle para sensores de sobreestiramento baseados en metais líquidos a temperatura ambiente.a ciencia.Informe 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.As fibras compostas superelásticas EGaIn poden soportar unha tensión de tracción do 500% e teñen unha excelente condutividade eléctrica para produtos electrónicos que se poden levar.ACS refírese a alma mater.Interface 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Cableado directo de galio-indio eutéctico a un electrodo metálico para sistemas de sensores brandos. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Cableado directo de galio-indio eutéctico a un electrodo metálico para sistemas de sensores brandos.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. e Bae, J. Unión directa de electrodos eutécticos de galio-indio a metal para sistemas de detección suave. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. e 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 Electrodo de metal de galio-indio conectado directamente ao sistema de sensor suave.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. e Bae, J. Unión directa de electrodos eutécticos de galio-indio a metal para sistemas de sensores brandos.ACS refírese a alma mater.Interfaces 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Elastómeros magnetoreolóxicos recheos de metal líquido con piezoelectricidade positiva.Comuna Nacional.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Extensímetros multidimensionales altamente sensibles e extensibles con reixas de percolación de nanofíos metálicos anisótropos pretensados.Nanolet.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Elastómero autocurativo universalmente autónomo con alta elasticidade. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Elastómero autocurativo universalmente autónomo con alta elasticidade.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. e Zhang, L. Elastómero autocurativo versátil con alta elasticidade. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. e Zhang, L. 具有高拉伸性的通用自主自愈弹性体。 Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. e Zhang, L.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. e Zhang L. Elastómeros versátiles de alta resistencia autocurativos offline.Comuna Nacional.11, 1–9 (2020).
Zhu X. et al.Fibras condutoras metálicas ultraestiradas utilizando núcleos de aliaxe de metal líquido.Capacidades ampliadas.alma mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. et al.Estudo do prensado electroquímico de fío metálico líquido.ACS refírese a alma mater.Interface 12, 31010–31020 (2020).
Le H. et al.Sinterización inducida pola evaporación de gotas de metal líquido con bionanofibras para unha condutividade eléctrica flexible e unha actuación sensible.Comuna Nacional.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD et al.Galio-indio eutéctico (EGaIn): aliaxe de metal líquido que se utiliza para formar estruturas estables en microcanles a temperatura ambiente.Capacidades ampliadas.alma mater.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Robótica branda baseada en metal líquido: materiais, deseños e aplicacións. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Robótica branda baseada en metal líquido: materiais, deseños e aplicacións.Wang, X., Guo, R. e Liu, J. Robótica branda baseada en metal líquido: materiais, construción e aplicacións. 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. Robots brandos a base de metal líquido: materiais, deseño e aplicacións.Wang, X., Guo, R. e Liu, J. Robots brandos baseados en metal líquido: materiais, construción e aplicacións.alma mater avanzada.tecnoloxía 4, 1800549 (2019).