哈工大&中科院团队使用固化液态金属构建 3D 柔性电子产品

编辑 | 白菜叶

基于镓合金的液态金属由于其固有的流动性和高导电性，在开发柔软和可拉伸电子产品方面具有潜在用途。然而，使用液态金属构建三维电路具有挑战性，这限制了最终设备的复杂性和集成度。

在这里，哈尔滨工业大学以及中国科学院的研究人员展示了通过利用液态金属的固-液相变和塑性变形，镓-铟合金可用于制造具有三维电路的柔性电子设备。固态但可塑性变形的合金线在低温（低于 15°C）下成型为电路并封装在弹性体中，然后加热到高于其熔化温度。随后，过冷效应允许合金在很宽的温度范围内保持液态，包括低于熔点。

该团队使用该技术制造高灵敏度应变传感器、用于集成发光二极管阵列的三维互连拱形结构，以及用于监测手指运动的三维可穿戴传感器和多层柔性电路板。

该研究以「Three-dimensional flexible electronics using solidified liquid metal with regulated plasticity」为题，于 2023 年 1 月 30 日发布在《Nature Electronics》。

近年来，工程师和材料科学家一直在努力寻找特别有前途的材料，用于制造不同形状和尺寸的柔性电子产品。最终，这些电子产品可以集成到可穿戴设备（例如智能手表和监测生物信号的医疗设备）、软体机器人和其他系统中。

在可用于制造可拉伸电子设备的多种材料中，有基于镓合金的液态金属，它们本质上是包含镓的金属混合物。液态镓合金具有固有的流动性和高导电性，这两个特性有利于制造柔软或柔性电子产品。

然而，迄今为止，事实证明使用任何液态金属构建三维 (3D) 电路都具有挑战性。这限制了可以使用液态镓合金创建的可能结构，阻碍了它们在创建柔软且可拉伸的电子设备方面的广泛使用。

在这里，哈工大和中科院的研究人员使用液态镓-铟合金制造了具有 3D 电路的柔性电子设备。他们发现了一种具有适合开发柔性电子产品的品质的镓合金，包括固液相变、机械强度和固态的良好塑性。

「我们表明，通过利用液态金属的固-液相变和塑性变形，镓-铟合金可用于制造具有 3D 电路的柔性电子产品。」研究人员在论文里表示。

为了使用他们的镓-铟合金制造柔性电子产品，研究人员首先将大量合金样品冷却至低温。这个过程使他们能够将材料塑造成实心金属线和板材。

「固态但可塑性变形的合金线在低温（低于 15 摄氏度）下成型为电路并封装在弹性体中，然后被加热到高于其熔化温度。」研究人员在论文中解释道，「随后，过冷效应使合金能够在很宽的温度范围内保持液态，包括低于熔点。」

通过将预制液态金属结构封装在弹性体中并将其加热到 22.7 摄氏度以上，该团队确保这些结构恢复了流动性。该过程产生了一种可导电的可拉伸液态金属，因此可用于制造柔性电子元件。

「我们使用该技术制造高灵敏度应变传感器、用于集成发光二极管 (LED) 阵列的三维互连拱形结构，以及用于监测手指运动的三维可穿戴传感器和多层柔性电路板。」 研究人员在他们的论文中写道。

在最初的测试中，该团队创造的合金结构被证明对柔性电子产品的发展非常有利。为了展示它们在电子产品中的潜在应用，该团队使用这些结构来创建各种电子产品，包括应变传感器、用于集成 LED 的互连以及用于监控手指运动的电子系统。

未来，新提出的创建基于镓-铟合金的柔性电子产品的策略可用于制造基于其他合金和材料的类似液态金属结构。此外，该团队创造的合金结构很快就会被用于制造可拉伸的电子产品，包括可穿戴设备和软机器人系统的组件。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00914-8

相关报道：https://techxplore.com/news/2023-02-solidified-liquid-metal-3d-flexible.html