Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Zde demonstrujeme imbibicí indukované, spontánní a selektivní smáčecí vlastnosti slitin tekutých kovů na bázi galia na metalizovaných površích s topografickými rysy v mikroměřítku.Slitiny tekutých kovů na bázi galia jsou úžasné materiály s obrovským povrchovým napětím.Proto je obtížné je formovat do tenkých filmů.Úplného smáčení eutektické slitiny galia a india bylo dosaženo na mikrostrukturovaném povrchu mědi za přítomnosti par HCl, které odstranily přírodní oxid ze slitiny tekutého kovu.Toto smáčení je numericky vysvětleno na základě Wenzelova modelu a procesu osmózy, což ukazuje, že velikost mikrostruktury je kritická pro účinné osmózou indukované smáčení tekutých kovů.Kromě toho ukazujeme, že spontánní smáčení tekutých kovů může být selektivně nasměrováno podél mikrostrukturovaných oblastí na kovovém povrchu, aby se vytvořily vzory.Tento jednoduchý proces rovnoměrně nanáší a tvaruje tekutý kov na velkých plochách bez vnější síly nebo složité manipulace.Prokázali jsme, že vzorované substráty z tekutého kovu si zachovávají elektrické spojení i při natahování a po opakovaných cyklech natahování.
Slitiny tekutých kovů na bázi galia (GaLM) přitahují velkou pozornost díky svým atraktivním vlastnostem, jako je nízký bod tání, vysoká elektrická vodivost, nízká viskozita a tekutost, nízká toxicita a vysoká deformovatelnost1,2.Čisté gallium má bod tání asi 30 °C, a když se roztaví v eutektických kompozicích s některými kovy, jako je In a Sn, je bod tání pod teplotou místnosti.Dvěma důležitými GaLM jsou eutektická slitina gallium indium (EGaIn, 75 % Ga a 25 % In hmotnostně, bod tání: 15,5 °C) a eutektická slitina gallium indium a cín (GaInSn nebo galinstan, 68,5 % Ga, 21,5 % In a 10 % cínu, teplota tání: ~11 °C) 1.2.Vzhledem ke své elektrické vodivosti v kapalné fázi jsou GaLM aktivně zkoumány jako tahové nebo deformovatelné elektronické dráhy pro různé aplikace, včetně elektronických3,4,5,6,7,8,9 napjatých nebo zakřivených senzorů 10, 11, 12 , 13, 14 a vývody 15, 16, 17. Výroba takových zařízení depozicí, tiskem a vzorováním z GaLM vyžaduje znalost a kontrolu mezifázových vlastností GaLM a jeho podkladového substrátu.GaLM mají vysoké povrchové napětí (624 mNm-1 pro EGaIn18,19 a 534 mNm-1 pro Galinstan20,21), což může znesnadnit manipulaci nebo manipulaci s nimi.Tvorba tvrdé kůry nativního oxidu galia na povrchu GaLM za okolních podmínek poskytuje obal, který stabilizuje GaLM v nekulovém tvaru.Tato vlastnost umožňuje tisk GaLM, implantaci do mikrokanálů a vzorování s mezifázovou stabilitou dosahovanou oxidy19,22,23,24,25,26,27.Tvrdá oxidová skořepina také umožňuje GaLM přilnout k většině hladkých povrchů, ale zabraňuje volnému proudění kovů s nízkou viskozitou.Šíření GaLM na většině povrchů vyžaduje sílu k rozbití obalu oxidu28,29.
Oxidové slupky lze odstranit například silnými kyselinami nebo zásadami.V nepřítomnosti oxidů tvoří GaLM kapky téměř na všech površích kvůli jejich obrovskému povrchovému napětí, ale existují výjimky: GaLM smáčí kovové substráty.Ga vytváří kovové vazby s jinými kovy prostřednictvím procesu známého jako „reaktivní smáčení“30,31,32.Toto reaktivní smáčení se často zkoumá v nepřítomnosti povrchových oxidů, aby se usnadnil kontakt kov na kov.Nicméně i u nativních oxidů v GaLM bylo hlášeno, že kontakty kov na kov se tvoří, když se oxidy rozbijí na kontaktech s hladkými kovovými povrchy29.Reaktivní smáčení má za následek nízké kontaktní úhly a dobré smáčení většiny kovových substrátů33,34,35.
Dosud bylo provedeno mnoho studií o využití příznivých vlastností reaktivního smáčení GaLM s kovy k vytvoření vzoru GaLM.Například GaLM byl aplikován na vzorované pevné kovové stopy rozmazáním, válením, stříkáním nebo maskováním stínů34, 35, 36, 37, 38. Selektivní smáčení GaLM na tvrdých kovech umožňuje GaLM vytvářet stabilní a dobře definované vzory.Vysoké povrchové napětí GaLM však brání tvorbě vysoce rovnoměrných tenkých filmů i na kovových substrátech.K řešení tohoto problému Lacour a kol.popsali způsob výroby hladkých plochých tenkých vrstev GaLM na velkých plochách odpařováním čistého galia na pozlacené mikrostrukturované substráty37,39.Tato metoda vyžaduje vakuovou depozici, která je velmi pomalá.Kromě toho není GaLM pro taková zařízení obecně povolen z důvodu možného zkřehnutí40.Odpařování také ukládá materiál na substrát, takže k vytvoření vzoru je zapotřebí vzor.Hledáme způsob, jak vytvořit hladké GaLM filmy a vzory navržením topografických kovových prvků, které GaLM spontánně a selektivně smáčí v nepřítomnosti přírodních oxidů.Zde uvádíme spontánní selektivní smáčení bezoxidového EGaIn (typický GaLM) pomocí jedinečného smáčecího chování na fotolitograficky strukturovaných kovových substrátech.Vytváříme fotolitograficky definované povrchové struktury na mikroúrovni pro studium nasávání, čímž kontrolujeme smáčení tekutých kovů bez oxidů.Zlepšené smáčivé vlastnosti EGaIn na mikrostrukturovaných kovových površích jsou vysvětleny numerickou analýzou založenou na Wenzelově modelu a impregnačním procesem.Nakonec demonstrujeme velkoplošnou depozici a vzorování EGaIn prostřednictvím samoabsorpce, spontánního a selektivního smáčení na mikrostrukturovaných površích depozice kovů.Jako potenciální aplikace jsou prezentovány tahové elektrody a tenzometry obsahující struktury EGaIn.
Absorpce je kapilární transport, při kterém kapalina proniká do texturovaného povrchu 41, což usnadňuje šíření kapaliny.Zkoumali jsme smáčivé chování EGaIn na kovových mikrostrukturovaných površích deponovaných v páře HCl (obr. 1).Jako kov pro podkladový povrch byla zvolena měď. Na plochých měděných površích vykazoval EGaIn nízký kontaktní úhel <20° v přítomnosti par HCl v důsledku reaktivního smáčení31 (doplňkový obrázek 1). Na plochých měděných površích vykazoval EGaIn nízký kontaktní úhel <20° v přítomnosti par HCl v důsledku reaktivního smáčení31 (doplňkový obrázek 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол. <20 ° в присутстарвив ого смачивания31 (дополнительный рисунок 1). Na plochých měděných površích vykazoval EGaIn nízký kontaktní úhel <20° v přítomnosti par HCl v důsledku reaktivního smáčení31 (doplňkový obrázek 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下显示処显示処伥伥伥衄伎処伥伥伎塧伥伥丧伥伥图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 пририрует тивного смачивания (дополнительный рисунок 1). Na plochých měděných površích vykazuje EGaIn nízké kontaktní úhly <20° v přítomnosti par HCl v důsledku reaktivního smáčení (doplňkový obrázek 1).Měřili jsme těsné kontaktní úhly EGaIn na objemové mědi a na měděných filmech nanesených na polydimethylsiloxanu (PDMS).
a Sloupcové (D (průměr) = l (vzdálenost) = 25 µm, d (vzdálenost mezi sloupci) = 50 µm, H (výška) = 25 µm) a pyramidální (šířka = 25 µm, výška = 18 µm) mikrostruktury na Cu /PDMS substráty.b Časově závislé změny kontaktního úhlu na plochých substrátech (bez mikrostruktur) a polích pilířů a jehlanů obsahujících PDMS potažené mědí.c, d Intervalový záznam (c) bočního pohledu a (d) pohledu shora smáčení EGaIn na povrchu s pilíři v přítomnosti par HCl.
Pro posouzení vlivu topografie na smáčení byly připraveny PDMS substráty se sloupcovým a pyramidálním vzorem, na které byla nanesena měď s titanovou adhezivní vrstvou (obr. 1a).Bylo prokázáno, že mikrostrukturovaný povrch substrátu PDMS byl konformně potažen mědí (doplňkový obrázek 2).Časově závislé kontaktní úhly EGaIn na vzorovaných a planárních mědí naprašovaných PDMS (Cu/PDMS) jsou znázorněny na Obr.1b.Kontaktní úhel EGaIn na vzorované mědi/PDMS klesne na 0° během ~1 min.Zlepšené smáčení mikrostruktur EGaIn lze využít pomocí Wenzelovy rovnice\({{{{\rm{cos}}}}}}}\,{\theta}_{{drsný}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), kde \({\theta}_{{drough}}\) představuje kontaktní úhel drsného povrchu, \ (r \) Drsnost povrchu (= skutečná plocha/zdánlivá plocha) a kontaktní úhel v rovině \({\theta}_{0}\).Výsledky zvýšeného smáčení EGaIn na vzorovaných površích jsou v dobré shodě s Wenzelovým modelem, protože hodnoty r pro zadní a pyramidové vzorované povrchy jsou 1,78 a 1,73.To také znamená, že kapka EGaIn umístěná na vzorovaném povrchu pronikne do drážek podkladového reliéfu.Je důležité poznamenat, že v tomto případě se tvoří velmi jednotné ploché filmy, na rozdíl od případu s EGaIn na nestrukturovaných površích (doplňkový obr. 1).
Z Obr.1c,d (doplňkový film 1) lze vidět, že po 30 s, když se zdánlivý kontaktní úhel blíží 0°, EGaIn začne difundovat dále od okraje kapky, což je způsobeno absorpcí (doplňkový film 2 a doplňkový Obr. 3).Předchozí studie plochých povrchů spojovaly časové měřítko reaktivního smáčení s přechodem od inerciálního k viskóznímu smáčení.Velikost terénu je jedním z klíčových faktorů při určování, zda dojde k samonasávání.Porovnáním povrchové energie před a po nasávání z termodynamického hlediska byl odvozen kritický kontaktní úhel \({\theta}_{c}\)nasávání (podrobnosti viz doplňková diskuse).Výsledek \({\theta}_{c}\) je definován jako \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) kde \({\phi}_{s}\) představuje zlomkovou oblast v horní části příspěvku a \(r\ ) představuje drsnost povrchu. K nasávání může dojít, když \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktní úhel na rovném povrchu. K nasávání může dojít, když \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktní úhel na rovném povrchu. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. Absorpce může nastat, když \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktní úhel na rovném povrchu.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. Sání nastane, když \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontaktní úhel na rovině.Pro povrchy s dodatečným vzorováním se \(r\) a \({\phi}_{s}\) počítají jako \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) a \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), kde \(R\) představuje poloměr sloupce, \(H\) představuje výšku sloupce a \ ( d\) je vzdálenost mezi středy dvou pilířů (obr. 1a).Pro post-strukturovaný povrch na Obr.1a, úhel \({\theta}_{c}\) je 60°, což je větší než rovina \({\theta}_{0}\) (~25°) v EGaIn bez oxidu HCl na Cu/PDMS.Proto mohou kapičky EGaIn snadno napadnout strukturovaný povrch nanášení mědi na obr. 1a v důsledku absorpce.
Abychom prozkoumali vliv topografické velikosti vzoru na smáčení a absorpci EGaIn, změnili jsme velikost sloupků potažených mědí.Na Obr.2 ukazuje kontaktní úhly a absorpci EGaIn na těchto substrátech.Vzdálenost l mezi sloupky se rovná průměru sloupků D a pohybuje se od 25 do 200 μm.Výška 25 µm je konstantní pro všechny kolony.\({\theta}_{c}\) klesá s rostoucí velikostí sloupce (tabulka 1), což znamená, že absorpce je méně pravděpodobná na substrátech s většími sloupci.Pro všechny testované velikosti je \({\theta}_{c}\) větší než \({\theta}_{0}\) a očekává se vzlínání.Absorpce je však zřídka pozorována u povrchů s dodatečným vzorováním s l a D 200 µm (obr. 2e).
a Časově závislý kontaktní úhel EGaIn na povrchu Cu/PDMS s kolonami různých velikostí po expozici par HCl.b–e Pohled shora a ze strany na vlhčení EGaIn.bD = 1 = 25 um, r = 1,78.v D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = 1 = 100 um, r = 1,20.eD = l = 200 um, r = 1,10.Všechny sloupky mají výšku 25 µm.Tyto snímky byly pořízeny alespoň 15 minut po expozici par HCl.Kapičky na EGaIn jsou voda vznikající při reakci mezi oxidem galia a parami HCl.Všechny stupnice v (b – e) mají 2 mm.
Dalším kritériem pro stanovení pravděpodobnosti absorpce kapaliny je fixace kapaliny na povrchu po nanesení vzoru.Kurbin a kol.Bylo hlášeno, že když (1) jsou sloupky dostatečně vysoké, kapičky budou absorbovány vzorovaným povrchem;(2) vzdálenost mezi sloupy je poměrně malá;a (3) kontaktní úhel kapaliny na povrchu je dostatečně malý42.Numericky \({\theta}_{0}\) kapaliny na rovině obsahující stejný materiál substrátu musí být menší než kritický kontaktní úhel pro připevnění, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), pro absorpci bez připínání mezi příspěvky, kde \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (podrobnosti viz další diskuse).Hodnota \({\theta}_{c,{pin}}\) závisí na velikosti pinu (tabulka 1).Určete bezrozměrný parametr L = l/H, abyste posoudili, zda dojde k absorpci.Pro absorpci musí být L menší než standardní prahová hodnota, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Pro EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) na měděném substrátu je \({L}_{c}\) 5,2.Protože L sloupec 200 μm je 8, což je větší než hodnota \({L}_{c}\), nedochází k absorpci EGaIn.Abychom dále otestovali účinek geometrie, pozorovali jsme samonasávání různých H a l (doplňkový obr. 5 a doplňková tabulka 1).Výsledky dobře souhlasí s našimi výpočty.L se tedy ukazuje jako účinný prediktor absorpce;tekutý kov přestane absorbovat kvůli kolíkům, když je vzdálenost mezi sloupy relativně velká ve srovnání s výškou sloupků.
Smáčivost lze určit na základě složení povrchu podkladu.Zkoumali jsme vliv složení povrchu na smáčení a absorpci EGaIn společným ukládáním Si a Cu na pilíře a roviny (doplňkový obr. 6).Kontaktní úhel EGaIn se snižuje z ~160° na ~80° s tím, jak se binární povrch Si/Cu zvyšuje z 0 na 75 % při plochém obsahu mědi.Pro povrch 75 % Cu/25 % Si je \({\theta}_{0}\) ~80°, což odpovídá \({L}_{c}\) rovné 0,43 podle výše uvedené definice .Protože sloupce l = H = 25 μm s L o 1 větší než práh \({L}_{c}\), povrch 75% Cu/25% Si po vzorování neabsorbuje kvůli imobilizaci.Protože kontaktní úhel EGaIn se zvyšuje s přídavkem Si, je zapotřebí vyšší H nebo nižší l, aby se překonalo špinění a impregnace.Protože kontaktní úhel (tj. \({\theta}_{0}\)) závisí na chemickém složení povrchu, může také určit, zda v mikrostruktuře dochází k nasávání.
Absorpce EGaIn na vzorované mědi/PDMS může smáčet tekutý kov do užitečných vzorů.Aby bylo možné vyhodnotit minimální počet sloupcových čar způsobujících nasakování, byly pozorovány smáčecí vlastnosti EGaIn na Cu/PDMS s post-patternovými čarami obsahujícími různá čísla sloupcových čar od 1 do 101 (obr. 3).Smáčení se vyskytuje hlavně v oblasti po vzorování.Vzlínání EGaIn bylo spolehlivě pozorováno a délka nasávání se zvětšovala s počtem řad sloupců.K pohlcení téměř nikdy nedochází, když jsou sloupky se dvěma nebo méně čarami.To může být způsobeno zvýšeným kapilárním tlakem.Aby absorpce probíhala ve sloupcovém vzoru, musí být překonán kapilární tlak způsobený zakřivením hlavy EGaIn (doplňkový obr. 7).Za předpokladu poloměru zakřivení 12,5 µm pro jednu řadu EGaIn hlavy se sloupcovým vzorem je kapilární tlak ~0,98 atm (~740 Torr).Tento vysoký Laplaceův tlak může zabránit smáčení způsobenému absorpcí EGaIn.Méně řad kolon může také snížit absorpční sílu, která je způsobena kapilárním působením mezi EGaIn a kolonami.
a Kapky EGaIn na strukturovaném Cu/PDMS se vzory různých šířek (w) ve vzduchu (před expozicí výparům HCl).Řady stojanů počínaje shora: 101 (š = 5025 um), 51 (š = 2525 um), 21 (š = 1025 um) a 11 (š = 525 um).b Směrové smáčení EGaIn na (a) po vystavení par HCl po dobu 10 min.c, d Smáčení EGaIn na Cu/PDMS se sloupcovými strukturami (c) dvě řady (w = 75 µm) a (d) jedna řada (w = 25 µm).Tyto snímky byly pořízeny 10 minut po expozici par HCl.Měřítko na (a, b) a (c, d) je 5 mm a 200 um.Šipky v (c) označují zakřivení hlavy EGaIn v důsledku absorpce.
Absorpce EGaIn v post-patternovaném Cu/PDMS umožňuje tvorbu EGaIn selektivním smáčením (obr. 4).Když je kapka EGaIn umístěna na vzorovanou plochu a vystavena páře HCl, kapka EGaIn se nejprve zhroutí a vytvoří malý kontaktní úhel, protože kyselina odstraňuje vodní kámen.Následně začíná absorpce od okraje kapky.Velkoplošné vzorování lze dosáhnout z centimetrového měřítka EGaIn (obr. 4a, c).Protože k absorpci dochází pouze na topografickém povrchu, EGaIn smáčí pouze oblast vzoru a téměř přestane smáčet, když dosáhne rovného povrchu.V důsledku toho jsou pozorovány ostré hranice vzorů EGaIn (obr. 4d, e).Na Obr.4b ukazuje, jak EGaIn proniká do nestrukturované oblasti, zejména kolem místa, kde byla původně umístěna kapka EGaIn.Bylo to proto, že nejmenší průměr kapiček EGaIn použitých v této studii přesáhl šířku vzorovaných písmen.Kapky EGaIn byly umístěny na místo vzoru manuální injekcí přes 27-G jehlu a stříkačku, což vedlo ke kapkám o minimální velikosti 1 mm.Tento problém lze vyřešit použitím menších kapiček EGaIn.Celkově obrázek 4 ukazuje, že spontánní smáčení EGaIn může být indukováno a směrováno na mikrostrukturované povrchy.Ve srovnání s předchozí prací je tento proces smáčení poměrně rychlý a k dosažení úplného smáčení není potřeba žádná vnější síla (doplňková tabulka 2).
znak univerzity, písmeno b, c v podobě blesku.Absorpční oblast je pokryta polem sloupců s D = l = 25 um.d, zvětšené obrázky žeber v e (c).Měřítko na (a–c) a (d, e) je 5 mm, respektive 500 µm.Na (c–e) se malé kapičky na povrchu po adsorpci mění ve vodu jako výsledek reakce mezi oxidem galia a parami HCl.Nebyl pozorován žádný významný vliv tvorby vody na smáčení.Voda se snadno odstraňuje jednoduchým sušením.
Vzhledem ke kapalné povaze EGaIn lze Cu/PDMS potažené EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) použít pro flexibilní a roztažitelné elektrody.Obrázek 5a porovnává změny odporu původních Cu/PDMS a EGaIn/Cu/PDMS při různém zatížení.Odpor Cu/PDMS v tahu prudce stoupá, zatímco odpor EGaIn/Cu/PDMS zůstává v tahu nízký.Na Obr.5b a d ukazují snímky SEM a odpovídající data EMF nezpracovaných Cu/PDMS a EGaIn/Cu/PDMS před a po aplikaci napětí.U neporušených Cu/PDMS může deformace způsobit trhliny v tvrdém Cu filmu uloženém na PDMS v důsledku nesouladu elasticity.Naproti tomu u EGaIn/Cu/PDMS EGaIn stále dobře pokrývá Cu/PDMS substrát a zachovává elektrickou kontinuitu bez jakýchkoliv trhlin nebo významné deformace i po aplikaci napětí.Data EDS potvrdila, že gallium a indium z EGaIn byly rovnoměrně distribuovány na Cu/PDMS substrátu.Je pozoruhodné, že tloušťka fólie EGaIn je stejná a srovnatelná s výškou sloupků. To je také potvrzeno další topografickou analýzou, kde relativní rozdíl mezi tloušťkou filmu EGaIn a výškou sloupku je <10 % (doplňkový obr. 8 a tabulka 3). To je také potvrzeno další topografickou analýzou, kde relativní rozdíl mezi tloušťkou filmu EGaIn a výškou sloupku je <10 % (doplňkový obr. 8 a tabulka 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, гдео относите лщиной пленки EGaIn a высотой столба составляет <10 % (дополнительный рис. 8 a таблица 3). To je také potvrzeno další topografickou analýzou, kde relativní rozdíl mezi tloušťkou filmu EGaIn a výškou sloupce je <10 % (doplňkový obrázek 8 a tabulka 3).进一步的形貌分析也证实了这一点，其中EGaIn 薄膜厚度与柱度与柱子高度子高度子间%的刼帷0 8 和表3）. <10 % Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где отноном толщиной пленки EGaIn a высотой столба составляла <10 % (дополнительный рис. 8 и табляла). To bylo také potvrzeno další topografickou analýzou, kde relativní rozdíl mezi tloušťkou filmu EGaIn a výškou sloupce byl <10 % (doplňkový obrázek 8 a tabulka 3).Toto smáčení založené na nasákavosti umožňuje, aby tloušťka povlaků EGaIn byla dobře kontrolována a udržována stabilní na velkých plochách, což je jinak náročné kvůli jeho tekuté povaze.Obrázky 5c a e porovnávají vodivost a odolnost vůči deformaci původního Cu/PDMS a EGaIn/Cu/PDMS.V ukázce se LED rozsvítila při připojení k nedotčeným elektrodám Cu/PDMS nebo EGaIn/Cu/PDMS.Po natažení neporušeného Cu/PDMS LED zhasne.Elektrody EGaIn/Cu/PDMS však zůstaly i při zátěži elektricky připojeny a světlo LED se kvůli zvýšenému odporu elektrod jen mírně ztlumilo.
a Normalizovaný odpor se mění s rostoucí zátěží na Cu/PDMS a EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM snímky a analýza energeticky disperzní rentgenovou spektroskopií (EDS) před (nahoře) a po (dole) polydiplexech naložených v (b) Cu/PDMS a (d) EGaIn/Cu/methylsiloxanu.c, e LED připojené k (c) Cu/PDMS a (e) EGaIn/Cu/PDMS před (nahoře) a po (dole) natažení (~30% napětí).Měřítko v (b) a (d) je 50 um.
Na Obr.6a ukazuje odpor EGaIn/Cu/PDMS jako funkci napětí od 0 % do 70 %.Zvýšení a obnovení odporu je úměrné deformaci, což je v dobré shodě s Pouilletovým zákonem pro nestlačitelné materiály (R/R0 = (1 + ε)2), kde R je odpor, R0 je počáteční odpor, ε je deformace 43. Jiné studie ukázaly, že když jsou pevné částice v kapalném médiu roztaženy, mohou se přeskupit a stanou se rovnoměrněji distribuovány s lepší soudržností, čímž se sníží nárůst odporu 43, 44 . V této práci je však vodičem > 99 % objemových tekutého kovu, protože vrstvy Cu mají tloušťku pouze 100 nm. V této práci je však vodičem > 99 % objemových tekutého kovu, protože vrstvy Cu mají tloušťku pouze 100 nm. Однако в этой работе проводник состоит из > 99% жидкого металла по объему, такекенкот více než 100 nM. V této práci však vodič sestává z > 99 % objemových tekutého kovu, protože vrstvy Cu mají tloušťku pouze 100 nm.然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是牉 的液态金屲态金山态金厚，因此导体是牉 的液态金屲态金山态金山态金厂然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99 %Avšak v této práci, protože Cu film má tloušťku pouze 100 nm, vodič sestává z více než 99 % tekutého kovu (objemově).Neočekáváme proto, že by Cu významně přispívala k elektromechanickým vlastnostem vodičů.
a Normalizovaná změna rezistence vůči EGaIn/Cu/PDMS vůči napětí v rozmezí 0–70 %.Maximální napětí dosažené před selháním PDMS bylo 70 % (doplňkový obr. 9).Červené tečky jsou teoretické hodnoty předpovězené Puetovým zákonem.b Test stability vodivosti EGaIn/Cu/PDMS během opakovaných cyklů natahování a natahování.V cyklickém testu bylo použito 30% napětí.Měřítko na vložce je 0,5 cm.L je počáteční délka EGaIn/Cu/PDMS před protažením.
Faktor měření (GF) vyjadřuje citlivost snímače a je definován jako poměr změny odporu ke změně napětí45.GF se zvýšil z 1,7 při 10% deformaci na 2,6 při 70% deformaci v důsledku geometrické změny kovu.Ve srovnání s jinými tenzometry je hodnota GF EGaIn/Cu/PDMS střední.EGaIn/Cu/PDMS jako senzor, i když jeho GF nemusí být nijak zvlášť vysoké, vykazuje robustní změnu odporu v reakci na nízký poměr signálu k šumu.Pro vyhodnocení stability vodivosti EGaIn/Cu/PDMS byl monitorován elektrický odpor během opakovaných cyklů natahování a natahování při 30% napětí.Jak je znázorněno na Obr.6b, po 4000 cyklech natahování zůstala hodnota odporu v rozmezí 10 %, což může být způsobeno nepřetržitým vytvářením vodního kamene během opakovaných cyklů natahování46.Byla tak potvrzena dlouhodobá elektrická stabilita EGaIn/Cu/PDMS jako roztažitelné elektrody a spolehlivost signálu jako tenzometru.
V tomto článku diskutujeme o zlepšených smáčecích vlastnostech GaLM na mikrostrukturovaných kovových površích způsobených infiltrací.Spontánního úplného smáčení EGaIn bylo dosaženo na sloupcových a pyramidálních kovových površích v přítomnosti par HCl.To lze vysvětlit numericky na základě Wenzelova modelu a procesu vzlínání, který ukazuje velikost post-mikrostruktury potřebnou pro smáčení vyvolané vzlínáním.Spontánní a selektivní smáčení EGaIn, vedené mikrostrukturovaným kovovým povrchem, umožňuje aplikovat jednotné povlaky na velké plochy a vytvářet vzory tekutého kovu.Cu/PDMS substráty potažené EGaIn si zachovávají elektrické spojení i při natahování a po opakovaných cyklech natahování, jak potvrdily SEM, EDS a měření elektrického odporu.Kromě toho se elektrický odpor Cu/PDMS potaženého EGaIn mění reverzibilně a spolehlivě úměrně aplikovanému namáhání, což naznačuje jeho potenciální použití jako snímače deformace.Možné výhody, které poskytuje princip smáčení tekutým kovem způsobený nasáváním, jsou následující: (1) povlak a vzorování GaLM lze dosáhnout bez vnější síly;(2) Smáčení GaLM na poměděném povrchu mikrostruktury je termodynamické.výsledný film GaLM je stabilní i při deformaci;(3) změna výšky poměděného sloupce může vytvořit film GaLM s řízenou tloušťkou.Tento přístup navíc snižuje množství GaLM potřebného k vytvoření filmu, protože pilíře zabírají část filmu.Například, když se zavede pole sloupků o průměru 200 μm (se vzdáleností mezi sloupky 25 μm), objem GaLM potřebný pro tvorbu filmu (~9 μm3/μm2) je srovnatelný s objemem filmu bez pilíře.(25 um3/um2).V tomto případě je však třeba vzít v úvahu, že teoretický odpor, odhadovaný podle Puetova zákona, se také devětkrát zvyšuje.Celkově lze říci, že jedinečné smáčecí vlastnosti tekutých kovů diskutované v tomto článku nabízejí účinný způsob ukládání tekutých kovů na různé substráty pro roztažnou elektroniku a další vznikající aplikace.
Substráty PDMS byly připraveny smícháním matrice Sylgard 184 (Dow Corning, USA) a tvrdidla v poměrech 10:1 a 15:1 pro zkoušky tahem, s následným vytvrzením v peci při 60 °C.Měď nebo křemík byly naneseny na křemíkové destičky (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Korejská republika) a PDMS substráty s 10 nm silnou titanovou adhezivní vrstvou pomocí speciálního naprašovacího systému.Sloupcové a pyramidální struktury jsou naneseny na substrát PDMS pomocí fotolitografického procesu křemíkového plátku.Šířka a výška pyramidového vzoru jsou 25 a 18 um.Výška vzoru tyče byla fixována na 25 um, 10 um a 1 um a jeho průměr a rozteč se měnily od 25 do 200 um.
Kontaktní úhel EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Korejská republika) byl měřen pomocí analyzátoru tvaru kapky (DSA100S, KRUSS, Německo). Kontaktní úhel EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Korejská republika) byl měřen pomocí analyzátoru tvaru kapky (DSA100S, KRUSS, Německo). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) изисерявая ного анализатора (DSA100S, KRUSS, Германия). Úhel hrany EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Korejská republika) byl měřen pomocí analyzátoru kapek (DSA100S, KRUSS, Německo). EGaIn（镓75,5%/铟24,5%，>99,99%，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形）分析仌SKR测量. EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, 大韩民国) byl měřen pomocí kontaktního analyzátoru (DSA100S, KRUSS, Německo). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Кореяза) изимоѿяаня тора формы капли (DSA100S, KRUSS, Германия). Úhel hrany EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Korejská republika) byl měřen pomocí analyzátoru tvarového uzávěru (DSA100S, KRUSS, Německo).Umístěte substrát do skleněné komůrky o rozměrech 5 cm × 5 cm × 5 cm a pomocí injekční stříkačky o průměru 0,5 mm naneste na substrát kapku 4–5 μl EGaIn.Pro vytvoření plynného média HCl bylo 20 μl roztoku HCl (37 hm. %, Samchun Chemicals, Korejská republika) umístěno vedle substrátu, který byl odpařen natolik, aby naplnil komoru během 10 s.
Povrch byl zobrazen pomocí SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Korejská republika).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Korejská republika) byl použit ke studiu elementární kvalitativní analýzy a distribuce.Topografie povrchu EGaIn/Cu/PDMS byla analyzována pomocí optického profilometru (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
Pro zkoumání změny elektrické vodivosti během natahovacích cyklů byly vzorky s a bez EGaIn upnuty na protahovacím zařízení (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Korejská republika) a byly elektricky připojeny ke zdroji Keithley 2400. Pro zkoumání změny elektrické vodivosti během natahovacích cyklů byly vzorky s a bez EGaIn upnuty na protahovacím zařízení (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Korejská republika) a byly elektricky připojeny ke zdroji Keithley 2400. Для иследованя измененоя электропроводнvoje ля растяжения (ohýbání a roztažení strojového systému, SNM, республика корея) и электрически подключали к ззмерителю letky. Pro studium změny elektrické vodivosti během natahovacích cyklů byly vzorky s a bez EGaIn namontovány na protahovací zařízení (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Korejská republika) a elektricky připojeny ke zdroji Keithley 2400.Pro studium změny elektrické vodivosti během natahovacích cyklů byly vzorky s a bez EGaIn namontovány na protahovací zařízení (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Korejská republika) a elektricky připojeny ke Keithley 2400 SourceMeter.Měří změnu odporu v rozsahu od 0 % do 70 % deformace vzorku.Pro test stability byla měřena změna odporu během 4000 30% deformačních cyklů.
Další informace o designu studie najdete v abstraktu studie Nature, který je připojen k tomuto článku.
Údaje podporující výsledky této studie jsou uvedeny v souborech doplňkových informací a nezpracovaných dat.Tento článek poskytuje původní data.
Daeneke, T. a kol.Tekuté kovy: Chemický základ a aplikace.Chemikálie.společnost.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Atributy, výroba a aplikace tekutých kovových částic na bázi galia. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Atributy, zhotovení a aplikace kapalných kovových částic na bázi gallia.Lin, Y., Genzer, J. a Dickey, MD Vlastnosti, výroba a aplikace kapalných kovových částic na bázi galia. 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. & Dickey, MDLin, Y., Genzer, J. a Dickey, MD Vlastnosti, výroba a aplikace kapalných kovových částic na bázi galia.Pokročilá věda.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Směrem k obvodům všech měkkých hmot: prototypy kvazi-kapalných zařízení s memristorovými charakteristikami. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Směrem k obvodům plně měkké hmoty: prototypy kvazi-kapalných zařízení s memristorovými charakteristikami.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD a Velev, OD K obvodům složeným výhradně z měkké hmoty: Prototypy kvazi-kapalných zařízení s memristorovými charakteristikami. 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 & Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD a Velev, OD, směrem k obvodům All Soft Matter: Prototypy kvazi-fluidních zařízení s vlastnostmi memristoru.Pokročilá alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Spínače z tekutého kovu pro elektroniku reagující na životní prostředí. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Spínače z tekutého kovu pro elektroniku reagující na životní prostředí.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Spínače z tekutého kovu pro ekologickou elektroniku. 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 Spínače z tekutého kovu pro ekologickou elektroniku.Pokročilá alma mater.Rozhraní 4, 1600913 (2017).
Takže, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Usměrnění iontového proudu v měkkých diodách s elektrodami z tekutých kovů. Takže, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Iontové usměrnění proudu v měkkých diodách s elektrodami z tekutých kovů. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Pomozte nám jej zlepšit! to je металла. Tedy JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Usměrnění iontového proudu v diodách z měkkého materiálu s elektrodami z tekutého kovu. Takže, 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。 Takže, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Převzato lektrodamy. Tedy JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Usměrnění iontového proudu v diodách z měkkého materiálu s elektrodami z tekutého kovu.Rozšířené schopnosti.alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanovýroba pro zcela měkká elektronická zařízení s vysokou hustotou na bázi tekutého kovu. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanovýroba pro zcela měkká elektronická zařízení s vysokou hustotou na bázi tekutého kovu.Kim, M.-G., Brown, DK a Brand, O. Nanovýroba pro zcela měkká elektronická zařízení na bázi tekutých kovů s vysokou hustotou.Kim, M.-G., Brown, DK, and Brand, O. Nanovýroba plně měkké elektroniky s vysokou hustotou na bázi tekutého kovu.Národní komuna.11, 1–11 (2020).
Guo, R. a kol.Cu-EGaIn je rozšiřitelný elektronový obal pro interaktivní elektroniku a lokalizaci CT.alma mater.Úroveň.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultratenká roztažitelná Ag-In-Ga E-skin pro bioelektroniku a interakci člověka se strojem. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultratenká roztažitelná Ag-In-Ga E-skin pro bioelektroniku a interakci člověka se strojem.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. a Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultratenká roztažitelná elektronická kůže pro bioelektroniku a interakci člověk-stroj. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultratenká roztažitelná Ag-In-Ga E-skin pro bioelektroniku a interakci člověka se strojem. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultratenká roztažitelná Ag-In-Ga E-skin pro bioelektroniku a interakci člověka se strojem.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. a Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultratenká roztažitelná elektronická kůže pro bioelektroniku a interakci člověk-stroj.ACS
Yang, Y. a kol.Ultra pevné a zkonstruované triboelektrické nanogenerátory na bázi tekutých kovů pro nositelnou elektroniku.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. a kol.Vývoj mikrokanálových struktur pro senzory přetažení na bázi tekutých kovů při pokojové teplotě.věda.Zpráva 9, 1–8 (2019).
Chen, G. a kol.Superelastická kompozitní vlákna EGaIn vydrží 500% tahové napětí a mají vynikající elektrickou vodivost pro nositelnou elektroniku.ACS odkazuje na alma mater.Rozhraní 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Přímé zapojení eutektického gallia-india ke kovové elektrodě pro systémy měkkých senzorů. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Přímé zapojení eutektického gallia-india ke kovové elektrodě pro systémy měkkých senzorů.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. a Bae, J. Přímá vazba eutektického gallia-india na kovové elektrody pro systémy měkkého snímání. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & 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gallium-indium kovová elektroda přímo připojená k systému měkkého senzoru.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. a Bae, J. Přímá vazba eutektického gallia-india na kovové elektrody pro systémy měkkých senzorů.ACS odkazuje na alma mater.Rozhraní 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. a kol.Magnetoreologické elastomery plněné tekutým kovem s pozitivní piezoelektrikou.Národní komuna.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Vysoce citlivé a roztažitelné multidimenzionální tenzometry s perkolačními mřížkami z předpjatých anizotropních kovových nanodrátů.Nanolet.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Univerzálně autonomní samoopravný elastomer s vysokou roztažností. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Univerzálně autonomní samoopravný elastomer s vysokou roztažností.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J., and Zhang, L. Všestranný samoopravný elastomer s vysokou elasticitou. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & 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. & Zhang, L.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. a Zhang L. Všestranné offline samoopravné vysokopevnostní elastomery.Národní komuna.11, 1–9 (2020).
Zhu X. a kol.Ultratažená kovová vodivá vlákna využívající jádra ze slitiny tekutých kovů.Rozšířené schopnosti.alma mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. a kol.Studium elektrochemického lisování drátu z tekutého kovu.ACS odkazuje na alma mater.Rozhraní 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. a kol.Slinování kapiček tekutého kovu vyvolané odpařováním s bionanovlákny pro flexibilní elektrickou vodivost a citlivé ovládání.Národní komuna.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD a kol.Eutektické gallium-indium (EGaIn): slitina tekutého kovu používaná k vytváření stabilních struktur v mikrokanálech při pokojové teplotě.Rozšířené schopnosti.alma mater.18, 1097-1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Měkká robotika na bázi tekutých kovů: materiály, konstrukce a aplikace. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Měkká robotika na bázi tekutých kovů: materiály, konstrukce a aplikace.Wang, X., Guo, R. a Liu, J. Měkká robotika na bázi tekutého kovu: materiály, konstrukce a aplikace. 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. Měkké roboty na bázi tekutých kovů: materiály, design a aplikace.Wang, X., Guo, R. a Liu, J. Měkké roboty na bázi tekutého kovu: materiály, konstrukce a aplikace.Pokročilá alma mater.technologie 4, 1800549 (2019).