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(duì)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(lái)通過(guò)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(shí)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(zhǎng)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(wú)法實(shí)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(cè)系統(tǒng)等。這類器件同時(shí)對(duì)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(gè)重要特性。然而，在使液態(tài)金屬可拉伸電子器件化的過(guò)程中存在一個(gè)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(rùn)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(rùn)濕特性這四個(gè)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(diǎn)

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(huì)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)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?gòu)囊粋€(gè)大的液滴分割成許多微米級(jí)或納米級(jí)的液滴，并保證其粒度分布相對(duì)均勻。氧化層或其他人工形成的表面修飾將暫時(shí)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(guò)排列這些液滴來(lái)繪制，這相當(dāng)于通過(guò)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(diǎn)（不超過(guò)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(guò)程中的穩(wěn)定性。

（4）改變潤(rùn)濕特性

除了某些特定材料的表面（金、銅、錫等）可以潤(rùn)濕外，使用施加電壓等方法也可以改變液態(tài)金屬的潤(rùn)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(rùn)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(guò)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(xiǎn)。盡管如此，在需要外部導(dǎo)體連接電子設(shè)備的電路中，無(wú)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(lái)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(gè)數(shù)量級(jí)，這導(dǎo)致在工作過(guò)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(xiǎn)。如果利用水凝膠等可拉伸導(dǎo)體作為觸點(diǎn)，由于其阻值相對(duì)較大，設(shè)備的性能會(huì)有較大損失。因此，適當(dāng)?shù)倪B接方法仍有待開(kāi)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(lái)自于液態(tài)金屬對(duì)這些材料的吸收。液態(tài)金屬會(huì)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(lái)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(dòng)力學(xué)的許多問(wèn)題都值得討論，這將實(shí)現(xiàn)對(duì)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。