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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
镓（Ga）是一种银蓝色金属，在29.8°C下熔化，可用于制造具有广泛性能的合金。例如，Ga和铟(In)的比例约为3：1的合金，尽管In的熔点为~157℃，但其熔点仅为15.7℃。Ga合金在室温下为液态，称为Ga基液态金属(GaLMs )，通常具有低毒性和高导电、导热性。由于这些特性，GaLM聚合物复合材料已被考虑用于制造可拉伸设备中的电子元件，如生物医学和生物传感应用中使用的电子元件。
关键问题
GaLM的流体特性使其成为柔性电子器件中制造可拉伸导体的理想候选材料，可用于在可拉伸聚合物内部构建导电电路，但这很难实现。2、GaLm的氧化层限制了其通过喷涂等方法制备柔性电路当使用悬浮在载体流体中的GaLM液滴进行打印时，由于存在氧化层会使得液滴分离。因此，由这些液滴与氧化层形成的结构往往具有较差的导电性，并且需要破坏氧化层并将液滴重新组合在一起以形成导电路径。3、基于液态金属的弹性导体可靠性、稳定性和均匀性受限虽然已经通过各种方法研究了用于弹性导体的镓基LM，然而，基于LM的导体在外部机械刺激下存在泄漏问题，这限制了其可靠性、均匀性和稳定性。
有鉴于此，韩国高级科学技术研究院Jiheong Kang等人提出了一种液体金属颗粒网络（LMPNet），通过将声场应用于固态绝缘液体金属颗粒复合材料作为弹性导体来组装。通过以20kHz的超声波频率施加声波，微滴反射声能并脱落纳米尺寸的液滴，从而将微滴连接在一起。GaLM微滴和纳米滴的链形成了几乎完美的电接触，而不会与微滴或彼此融合，也不会去除氧化层。LMPNet导体满足高导电性、高拉伸性、对各种部件的坚韧粘附性以及即使在大应变下也不易察觉的电阻变化等要求，并能够制造多层高密度E-PCB，其中许多电子元件紧密集成，以创建高度可拉伸的皮肤电子器件。此外，可以在各种聚合物基质中（包括水凝胶、自愈弹性体和光刻胶）生成LMPNet，从而显示其在柔性电子中的应用潜力。
作者分析了聚合物基质中LMPNet的形成过程，实现了LMPNet在大面积上以高均匀性和可靠性形成，并展示了基于LMPNet的弹性多层印刷电路板和集成可拉伸电子器件组件的示意图。作者表明了LMP组装形成了几乎无缺陷的渗流路径以及大应变下可忽略的电阻变化，证实了LMPNet具有优异的环境稳定性、热稳定性和高循环稳定性。并通过力学测试证明了复合材料的拉伸性和韧性以及动态变形下的稳定性。作者通过排除法解析了声场产生LMPnano机制，并通过有限元模拟证实了所假设步骤的可能性。作者制造了一系列设备证实了它们可以在动态拉伸下表现出稳定的电性能。作者成功地在超过15种具有不同化学和机械性能的不同聚合物中形成了LMPNet，证实了LMPNet合成方法的通用性
1、开发了LMP基导体的通用合成路线，克服了LM泄露问题作者报告了一种合成高导电性和机械韧性的LMP基导体的通用路线，在超过15中聚合物中均形成了LMPNet，且不存在LM泄漏问题。作者设计了LMP的长距离组装网络（LMPNet）和坚韧的弹性体基体，LMPNet的渗流结构和变形机制导致高导电性、突出的韧性和在大变形下（＞4000%）难以察觉的电阻变化。作为概念证明，作者制备了双层E-PCB并组装了集成电路，证明了其在动态拉伸下稳定的电性能。
LMPNet的形成及应用
聚合物基质中LMPNet的形成分两步完成：首先，形成LMP–聚合物复合材料，然后诱导LMPNet形成。作者在水中使用探针超声仪制备了微米尺寸的LMP。此后，将LMP–PU油墨印刷在PU基板上，并将印刷线在80°C下退火24小时，以完全去除残留溶剂。作者将声场应用于印刷LMP线以实现其活化，避免了LM的泄露。选择水作为介质，以避免对印刷线路造成不必要的损坏或温度升高。当施加声场30秒时，观察到原始微米尺寸LMP之间形成纳米尺寸LMP（LMPnano），导致LMP与LMPnano的互连，即LMPNet的形成。作者证实了LMPNet可以在大面积上以高均匀性和可靠性形成，因此可以预测线路的电阻并设计一种E-PCB，其中各种电子元件，包括集成电路(IC)、芯片、电阻、晶体管和电容器，都是以坚硬的界面粘附组装的。
图 聚合物中液态金属颗粒网络的形成及其在弹性印刷电路板中的应用
LMPNet的电气和机械性能
作者研究了取决于复合材料中LMPNet的电特性。LMPNet的电导率随着复合材料中LM体积分数的增加而增加，最终所得电导率几乎达到了理论有效电导率，表明LMP在聚合物基质中的组装形成了几乎无缺陷的渗流路径。LMPNet大应变下表现出优异的电阻稳定性。它具有优异的环境稳定性、热稳定性和高循环稳定性。即使在双轴拉伸下，其电阻也会发生难以察觉的变化。力学测试结果表明，LMPnano在PU中表现为固体颗粒，对PU基体具有硬化作用，LMPnano的可逆组装促进了额外的能量耗散机制还提高了复合材料的拉伸性和韧性。LMPNet–PU系列提供了高的界面粘附能，具有较高的表面强度。与LMPNet–PU线结合的商用微型发光二极管（mLED）在动态变形下表现出稳定的性能。LMPNet导线没有观察到LM泄漏，并且在透明胶带、刮擦或拉伸导线时没有发现电性能退化。
声场产生LMPnano机制
作者探究了声场产生LMPnano机制，通过排除法，作者假设了LMPNet形成的三个步骤：（1）声能通过水介质从探头声波仪传递到复合材料；（2）声能在LMP/聚合物/LMP界面处积累；（3）通过纳米气泡的坍塌从原始LMP生成LMPnano。并通过有限元模拟证实了声能在LMP/聚合物/LMP界面处积累。
图 LMPNet的电气和机械性能
LMPNet的可加工性
为了实现E-PCB，确认了LMPNet导体的可加工性。LMPNet导体通过印刷工艺为E-PCB的制造提供了一个极好的平台，确认了优异的可印刷性、可拉伸垂直互连存取和芯片接合工艺。作为概念证明，作者制造了双层E-PCB并组装了集成电路，包括mLED阵列和PPG传感可穿戴设备。它们可以在动态拉伸下表现出稳定的电性能。此外，还制造了高度集成的皮肤电子器件，并证实了它们在双轴拉伸下的稳定性。
图 基于LMPNet的E-PCB
LMPNet合成适用性
作者成功地在超过15种具有不同化学和机械性能的不同聚合物中形成了LMPNet，还确认了使用具有不同熔化温度和成分的其他LM合金形成LMPNet。无论聚合物和LM如何，所有LMPNet系统都表现出高电导率。
图 各种聚合物中的LMPNet
总之，作者利用液态金属-聚合物复合材料形成可拉伸的导电回路。然而GaLM仍然是一种相对昂贵的材料，其价格是铝的约200倍，铜的66倍，但电导率仅为铝的约1/10，铜的约1/17。因此，使用GaLM制造简单的电子元件并不划算。可以通过使用化学策略来改善GaLM和聚合物基质之间的相互作用，例如选择可以结合到液态金属表面的聚合物。此外，通过化学物质（例如磷酸）抑制表面氧化也可以增强GaLM的导电性。研究界面性质，包括液态金属芯和氧化物表层之间的界面性质，以及GaLM和聚合物之间的界面特性，对于进一步推进该技术至关重要。本文提出的方法有助于克服用GaLM聚合物复合材料制造导电电路的重大挑战，但复合材料仍面临许多制造挑战。例如，用于产生GaLM微滴的载体流体中的超声处理和搅拌混合等过程往往对所产生的微滴的尺寸缺乏精确控制等。
参考文献：
RUIRUI QIAO, et al. Connecting liquid metals with sound. Science, 2022, 378(6620): 594-595.
DOI: 10.1126/science.ade1813
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1813
WONBEOM LEE, et al. Universal assembly of liquid metal particles in polymers enables elastic printed circuit board. Science, 2022, 378(6620): 637-641.
DOI: 10.1126/science.abo6631
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