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?？衫祀娮悠骷侵冈诒焕L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）使用宏觀機械力

宏觀機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?？衫祀娮釉O(shè)備的圖案可以通過排列這些液滴來繪制，這相當于通過減小粒徑以增加比表面積（增加氧化層比例）進而降低表面張力。

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，與使用機械外力的方法相結(jié)合，可有效增強液態(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大，有泄露的風險。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?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，并大大擴展液態(tài)金屬在可拉伸電子器件中的應(yīng)用。