Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Toant in karrousel fan trije dia's tagelyk.Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te bewegen, of brûk de sliderknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te bewegen.
Hjir demonstrearje wy de imbibysje-induzearre, spontane en selektive befeiligingseigenskippen fan gallium-basearre floeibere metaallegeringen op metalisearre oerflakken mei mikroskaal topografyske funksjes.Gallium-basearre floeibere metaallegeringen binne geweldige materialen mei enoarme oerflakspanning.Dêrom is it dreech om se te foarmjen yn tinne films.Folsleine wetting fan 'e eutektyske alloy fan gallium en indium waard berikt op' e mikrostrukturearre koper oerflak yn 'e oanwêzigens fan HCl-dampen, dy't it natuerlike okside fan' e floeibere metaallegering fuorthelle.Dizze wetting wurdt numeryk ferklearre op basis fan it Wenzel-model en it osmoseproses, wat toant dat mikrostruktuergrutte kritysk is foar effisjinte osmose-induzearre wietting fan floeibere metalen.Derneist litte wy sjen dat spontane wietting fan floeibere metalen selektyf kinne wurde rjochte lâns mikrostruktureare regio's op in metalen oerflak om patroanen te meitsjen.Dit ienfâldige proses coats en foarmje floeiber metaal oer grutte gebieten sûnder eksterne krêft of komplekse ôfhanneling.Wy hawwe oantoand dat substraten mei floeibere metalen patroanen elektryske ferbiningen behâlde, sels as se útrekt binne en nei werhelle syklusen fan stretching.
Gallium-basearre floeibere metaallegeringen (GaLM) hawwe in protte oandacht lutsen fanwegen har oantreklike eigenskippen lykas leech smeltpunt, hege elektryske konduktiviteit, lege viskositeit en stream, lege toxiciteit en hege deformabiliteit1,2.Suver gallium hat in smeltpunt fan sa'n 30 °C, en as it yn eutektyske komposysjes fusearre wurdt mei guon metalen lykas In en Sn, leit it rylpunt ûnder keamertemperatuer.De twa wichtige GaLM's binne gallium indium eutektyske alloy (EGaIn, 75% Ga en 25% In troch gewicht, smeltpunt: 15,5 °C) en gallium indium tin eutektyske alloy (GaInSn of galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In, en 10 % tin, smeltpunt: ~11 °C) 1.2.Fanwegen har elektryske konduktiviteit yn 'e floeibere faze wurde GaLM's aktyf ûndersocht as trek- of ferfoarmbere elektroanyske paden foar in ferskaat oan tapassingen, ynklusyf elektroanyske3,4,5,6,7,8,9 spande of kromme sensoren 10, 11, 12 , 13, 14 en leads 15, 16, 17. De fabrikaazje fan sokke apparaten troch ôfsetting, printsjen en patroan fan GaLM fereasket kennis en kontrôle fan 'e ynterfasiale eigenskippen fan GaLM en har ûnderlizzende substraat.GaLMs hawwe hege oerflak spanning (624 mNm-1 foar EGaIn18,19 en 534 mNm-1 foar Galinstan20,21) dat kin meitsje se lestich te behanneljen of manipulearje.De formaasje fan in hurde krust fan natuerlik galliumoxide op it GaLM-oerflak ûnder omjouwingsomstannichheden soarget foar in shell dy't de GaLM stabilisearret yn in net-sfearyske foarm.Dit eigendom lit GaLM wurde printe, ymplantearre yn mikrokanalen, en patroan mei de ynterfasiale stabiliteit berikt troch oksides19,22,23,24,25,26,27.De hurde okside-shell lit GaLM ek hechtsje oan de measte glêde oerflakken, mar foarkomt dat metalen mei lege viskositeit frij streamt.Fersprieding fan GaLM op de measte oerflakken fereasket krêft om de oksideshell te brekken28,29.
Oksideskulpen kinne fuorthelle wurde mei bygelyks sterke soeren of basen.By it ûntbrekken fan oksides foarmet GaLM drippen op hast alle oerflakken fanwege har enoarme oerflakspanning, mar d'r binne útsûnderingen: GaLM wiet metalen substraten.Ga foarmet metallyske obligaasjes mei oare metalen troch in proses bekend as "reactive wetting"30,31,32.Dizze reaktive wietting wurdt faak ûndersocht yn it ûntbrekken fan oerflakoksiden om metaal-nei-metaal kontakt te fasilitearjen.Sels mei native oksides yn GaLM is it lykwols rapportearre dat metaal-nei-metaal kontakten foarmje as oksides brekke by kontakten mei glêde metalen oerflakken29.Reaktyf wetting resultearret yn lege kontakt hoeken en goede wietting fan de measte metalen substrates33,34,35.
Oant no ta binne in protte ûndersiken útfierd oer it gebrûk fan 'e geunstige eigenskippen fan reaktive wietting fan GaLM mei metalen om in GaLM-patroan te foarmjen.Bygelyks, GaLM is tapast op patroanen bêst metalen spoaren troch smeer, rolling, spuiten, of skaad maskering34, 35, 36, 37, 38. Selektyf wetting fan GaLM op hurde metalen lit GaLM te foarmjen stabile en goed definiearre patroanen.De hege oerflakspanning fan GaLM hindert lykwols de foarming fan heul unifoarme tinne films sels op metalen substraten.Om dit probleem oan te pakken, Lacour et al.rapportearre in metoade foar it produsearjen fan glêde, platte GaLM tinne films oer grutte gebieten troch evaporating suver gallium op goud-coated mikrostructured substrates37,39.Dizze metoade fereasket fakuümdeposysje, dy't heul stadich is.Derneist is GaLM yn 't algemien net tastien foar sokke apparaten fanwegen mooglike brosheid40.Ferdamping ek deponearret it materiaal op it substraat, dus in patroan is nedich om it patroan te meitsjen.Wy sykje in manier om glêde GaLM-films en patroanen te meitsjen troch topografyske metalen funksjes te ûntwerpen dy't GaLM spontaan en selektyf wiet yn it ûntbrekken fan natuerlike oksides.Hjir melde wy de spontane selektive wietting fan oksidefrije EGaIn (typysk GaLM) mei it unike wietgedrach op fotolitografysk strukturearre metalen substraten.Wy meitsje fotolitografysk definieare oerflakstruktueren op mikronivo om imbibysje te studearjen, en kontrolearje dêrmei de wieting fan oksidefrije floeibere metalen.De ferbettere befeiligingseigenskippen fan EGaIn op mikrostruktureare metalen oerflakken wurde ferklearre troch numerike analyse basearre op it Wenzel-model en it ympregnaasjeproses.Uteinlik demonstrearje wy ôfsetting en patroan fan EGaIn in grut gebiet troch sels-absorption, spontane en selektive wietting op mikrostruktureare metalen ôfsettingsflakken.Trekelektroden en spanningsmeters mei EGaIn-struktueren wurde presintearre as potinsjele tapassingen.
Absorpsje is capillary ferfier wêrby't de floeistof ynfal de textured oerflak 41, dat fasilitearret de fersprieding fan de floeistof.Wy ûndersochten it wietgedrach fan EGaIn op metalen mikrostrukturearre oerflakken ôfset yn HCl-damp (Fig. 1).Koper waard keazen as it metaal foar it ûnderlizzende oerflak. Op platte koperflakken toande EGaIn in lege kontaktwinkel fan <20 ° yn 'e oanwêzigens fan HCl-damp, troch reaktive wetting31 (Supplementary Fig. 1). Op platte koperflakken toande EGaIn in lege kontaktwinkel fan <20 ° yn 'e oanwêzigens fan HCl-damp, troch reaktive wetting31 (Supplementary Fig. 1). ( На плоских медных поверхностях EGAIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутствии паров HCl из-завревой угол нительный рисунок 1). Op platte koperen oerflakken liet EGaIn in lege <20 ° kontaktwinkel sjen yn 'e oanwêzigens fan HCl-damp troch reaktive wetting31 (oanfoljende figuer 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下触反应润湿, 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 присутствии паровис из-годис HCl из-вис полнительный рисунок 1). Op platte koperen oerflakken, EGaIn eksposearret lege <20 ° kontakt hoeken yn 'e oanwêzigens fan HCl damp fanwege reaktive wietting (oanfoljende figuer 1).Wy mjitten de tichte kontakt hoeken fan EGaIn op bulk koper en op koper films dellein op polydimethylsiloxane (PDMS).
a Columnar (D (diameter) = l (ôfstân) = 25 µm, d (ôfstân tusken kolommen) = 50 µm, H (hichte) = 25 µm) en piramidale (breedte = 25 µm, hichte = 18 µm) mikrostruktueren op Cu /PDMS substraten.b Tiid-ôfhinklike feroarings yn de kontakt hoeke op platte substrates (sûnder microstructures) en arrays fan pylders en piramiden befetsje koper-coated PDMS.c, d Ynterval opname fan (c) kant werjefte en (d) top werjefte fan EGaIn wieting op it oerflak mei pylders yn 'e oanwêzigens fan HCl damp.
Om it effekt fan topografy op wetting te beoardieljen, waarden PDMS-substraten mei in kolom en piramidaal patroan taret, wêrop koper mei in titanium adhesive laach ôfset waard (Fig. 1a).It waard oantoand dat it mikrostrukturearre oerflak fan it PDMS-substraat konformeel mei koper bedekt waard (Supplementary Fig. 2).De tiid-ôfhinklike kontakt hoeken fan EGaIn op patroan en planar koper-sputtered PDMS (Cu / PDMS) wurde werjûn yn Fig.1b.De kontaktwinkel fan EGaIn op patroon koper / PDMS sakket nei 0 ° binnen ~1 min.De ferbettere wetting fan EGaIn mikrostruktueren kin brûkt wurde troch de Wenzel-fergeliking\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rûch}}=r\,{{ {{{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), wêrby't \({\theta}_{{rûch}}\) de kontakthoeke fan it rûge oerflak stiet, \ (r \) Oerflak Roughness (= werklike gebiet / skynbere gebiet) en kontakt hoeke op it fleantúch \({\theta}_{0}\).De resultaten fan ferbettere wetting fan EGaIn op 'e patroanen oerflakken binne yn goede oerienstimming mei it Wenzel-model, om't de r-wearden foar de efterkant en piramidale patroanen oerflakken respektivelik 1,78 en 1,73 binne.Dit betsjut ek dat in EGaIn drip leit op in patroan oerflak sil penetrearje yn de grooves fan de ûnderlizzende reliëf.It is wichtich om te merken dat yn dit gefal tige unifoarme platte films wurde foarme, yn tsjinstelling ta it gefal mei EGaIn op ûnstrukturearre oerflakken (oanfoljende fig. 1).
Fan fig.1c,d (Supplementary Movie 1) kin sjoen wurde dat nei 30 s, as de skynbere kontakthoek 0° benaderet, EGaIn fierder fuort fan 'e râne fan' e drip begjint te diffúsje, wat wurdt feroarsake troch absorption (Supplementary Movie 2 en Supplementary Fig. 3).Eardere ûndersiken fan platte oerflakken hawwe de tiidskaal fan reaktive wietting ferbûn mei de oergong fan inertial nei viskeuze wetting.De grutte fan it terrein is ien fan de kaai faktoaren by it bepalen oft sels-priming optreedt.Troch it fergelykjen fan de oerflakenerzjy foar en nei imbibysje út in termodynamysk eachpunt, waard de krityske kontaktwinkel \({\theta}_{c}\) fan imbibysje ôflaat (sjoch Oanfoljende diskusje foar details).It resultaat \({\theta}_{c}\) wurdt definiearre as \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) wêr't \({\phi}_{s}\) it fraksjegebiet oan 'e boppekant fan 'e post stiet en \(r\ ) fertsjintwurdiget oerflak rûchheid. Imbibition kin foarkomme as \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dat wol sizze, de kontakthoeke op in plat oerflak. Imbibition kin foarkomme as \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dat wol sizze, de kontakthoeke op in plat oerflak. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. Absorpsje kin foarkomme as \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dus de kontakthoeke op in plat oerflak.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. Suction komt foar as \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontakt hoeke op it fleantúch.Foar post-patternearre oerflakken wurde \(r\) en \({\phi}_{s}\) berekkene as \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) en \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), wêrby't \(R\) de kolomradius stiet, \(H\) de kolomhichte stiet, en \ ( d\) is de ôfstân tusken de sintra fan twa pylders (fig. 1a).Foar de post-strukturearre oerflak yn fig.1a, de hoeke \({\theta}_{c}\) is 60°, wat grutter is as it \({\theta}_{0}\) fleantúch (~25° ) yn HCl-damp Oksidefrij EGaIn op Cu/PDMS.Dêrom, EGaIn druppels kinne maklik ynfalle de strukturearre koper deposition oerflak yn figuer 1a fanwege absorption.
Om it effekt fan 'e topografyske grutte fan it patroan te ûndersiikjen op' e wieting en absorption fan EGaIn, farieare wy de grutte fan 'e koper-coated pylders.Op fig.2 toant de kontakthoeken en absorption fan EGaIn op dizze substraten.De ôfstân l tusken de kolommen is lyk oan de diameter fan de kolommen D en rint fan 25 oant 200 μm.De hichte fan 25 µm is konstant foar alle kolommen.\({\theta}_{c}\) nimt ôf mei tanimmende kolomgrutte (tabel 1), wat betsjut dat absorption minder wierskynlik is op substraten mei gruttere kolommen.Foar alle hifke maten is \({\theta}_{c}\) grutter dan \({\theta}_{0}\) en wurdt wicking ferwachte.Absorpsje wurdt lykwols selden waarnommen foar post-patternearre oerflakken mei l en D 200 µm (fig. 2e).
in Tiid-ôfhinklike kontakt hoeke fan EGaIn op in Cu / PDMS oerflak mei kolommen fan ferskillende maten nei bleatstelling oan HCl damp.b–e Boppe- en sydgesichten fan EGaIn wetting.b D = l = 25 µm, r = 1,78.yn D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1.10.Alle posten hawwe in hichte fan 25 µm.Dizze ôfbyldings waarden op syn minst 15 minuten nommen nei bleatstelling oan HCl-damp.De druppels op EGaIn binne wetter dat ûntstiet út de reaksje tusken gallium okside en HCl damp.Alle skaalbalken yn (b – e) binne 2 mm.
In oar kritearium foar it bepalen fan 'e kâns op floeistofopname is de fixaasje fan' e floeistof op it oerflak neidat it patroan is tapast.Kurbin et al.It is rapportearre dat doe't (1) de berjochten binne heech genôch, druppels wurde opnomd troch it patroan oerflak;(2) de ôfstân tusken de kolommen is frij lyts;en (3) de kontakt hoeke fan de floeistof op it oerflak is genôch lyts42.Numeryk moat \({\theta}_{0}\) fan de floeistof op in fleantúch dat itselde substraatmateriaal befettet minder wêze dan de krityske kontakthoeke foar pinning, \({\theta}_{c,{pin))} \ ), foar absorption sûnder pinning tusken berjochten, wêr \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (sjoch ekstra diskusje foar details).De wearde fan \({\theta}_{c,{pin}}\) hinget ôf fan de pingrutte (tabel 1).Bepale de dimensjeleaze parameter L = l / H om te oardieljen oft de absorption optreedt.Foar absorption moat L minder wêze as de drompelstandert, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Foar EGaIn is \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) op in koperen substraat \({L}_{c}\) 5.2.Sûnt de L-kolom fan 200 μm is 8, wat grutter is as de wearde fan \({L}_{c}\), komt EGaIn-absorption net foar.Om fierder te testen it effekt fan mjitkunde, wy observearre sels-priming fan ferskate H en l (oanfoljende figuer 5 en oanfoljende tabel 1).De resultaten komme goed oerien mei ús berekkeningen.Sa, L blykt te wêzen in effektive foarsizzer fan absorption;floeiber metaal stoppet absorbing fanwege pinning as de ôfstân tusken de pylders is relatyf grut yn ferliking mei de hichte fan de pylders.
Wettability kin bepaald wurde basearre op de oerflak gearstalling fan it substraat.Wy ûndersochten it effekt fan oerflakkomposysje op 'e wetting en absorption fan EGaIn troch mei-depositearjen fan Si en Cu op pylders en fleantugen (Supplementary Fig. 6).De EGaIn-kontaktwinkel nimt ôf fan ~160° nei ~80°, om't it Si/Cu-binêre oerflak fan 0 nei 75% nimt by in platte koperynhâld.Foar in oerflak fan 75% Cu/25% Si is \({\theta}_{0}\) ~80°, wat oerienkomt mei \({L}_{c}\) lyk oan 0,43 neffens de boppesteande definysje .Om't de kolommen l = H = 25 μm mei L lyk oan 1 grutter as de drompel \({L}_{c}\), absorbearret it oerflak fan 75% Cu/25% Si nei patroanen net troch immobilisaasje.Sûnt de kontakt hoeke fan EGaIn nimt ta mei de tafoeging fan Si, hegere H of legere l is nedich om te oerwinnen pinning en impregnation.Dêrom, om't de kontaktwinkel (dus \({\theta}_{0}\)) hinget fan 'e gemyske gearstalling fan it oerflak, kin it ek bepale oft imbibysje yn 'e mikrostruktuer foarkomt.
EGaIn absorption op patroan koper / PDMS kin wiet it floeibere metaal yn brûkbere patroanen.Om it minimum oantal kolomlinen te evaluearjen dy't imbibysje feroarsaakje, waarden de wettingeigenskippen fan EGaIn beoardiele op Cu / PDMS mei post-patroanlinen dy't ferskate kolomlinenûmers fan 1 oant 101 befetsje (fig. 3).Wetting komt benammen foar yn de post-patterning regio.De EGaIn wicking waard betrouber waarnommen en de wicking lingte tanommen mei it oantal rigen fan kolommen.Absorpsje komt hast noait foar as der berjochten binne mei twa of minder rigels.Dit kin wêze fanwege ferhege capillary druk.Foar absorption te foarkommen yn in kolom patroan, de capillary druk feroarsake troch de curvature fan de EGaIn holle moat wurde oerwûn (Supplementary Fig. 7).Oannommen fan in kromteradius fan 12.5 µm foar in ienige rige EGaIn-kop mei in kolompatroan, is de kapillêre druk ~0.98 atm (~740 Torr).Dizze hege Laplace-druk kin wieting foarkomme feroarsake troch absorption fan EGaIn.Ek, minder rigen fan kolommen kinne ferminderjen de absorption krêft dat komt troch capillary aksje tusken EGaIn en kolommen.
in Druppels EGAIn op strukturearre Cu / PDMS mei patroanen fan ferskate breedtes (w) yn loft (foar bleatstelling oan HCl-damp).Rigen fan rekken begjinnend fan boppen: 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm), en 11 (w = 525 µm).b Directional wetting fan EGaIn op (a) nei bleatstelling oan HCl-damp foar 10 min.c, d Wetting fan EGaIn op Cu/PDMS mei kolomstruktueren (c) twa rigen (w = 75 µm) en (d) ien rige (w = 25 µm).Dizze bylden waarden nommen 10 minuten nei bleatstelling oan HCl-damp.Skaalbalken op (a, b) en (c, d) binne respektivelik 5 mm en 200 µm.De pylken yn (c) jouwe de kromming fan 'e EGaIn-kop oan troch absorption.
De opname fan EGaIn yn post-patroan Cu / PDMS lit EGaIn foarmje troch selektyf wetting (figuer 4).As in drip EGaIn wurdt pleatst op in patroon gebiet en bleatsteld oan HCl-damp, falt de EGaIn-drip earst yn, en foarmje in lytse kontakthoeke as de soer skaal ferwideret.Dêrnei begjint absorption fan 'e râne fan' e drip.Grut-gebiet patroanen kin berikt wurde út sintimeter-skaal EGaIn (Fig. 4a, c).Sûnt absorption komt allinnich op de topografyske oerflak, EGaIn allinne wets pa patroan gebiet en hast stoppet wiet doe't it berikt in plat oerflak.Dêrtroch wurde skerpe grinzen fan 'e EGaIn-patroanen waarnommen (fig. 4d, e).Op fig.4b lit sjen hoe't EGaIn de net-strukturearre regio ynfalt, benammen om it plak dêr't de EGaIn-druppel oarspronklik pleatst waard.Dit wie om't de lytste diameter fan 'e EGaIn-druppels brûkt yn dizze stúdzje de breedte fan' e patroanen letters oerstiek.Druppels fan EGaIn waarden op 'e patroanside pleatst troch manuele ynjeksje troch in 27-G needle en spuit, wat resultearre yn drippen mei in minimale grutte fan 1 mm.Dit probleem kin wurde oplost troch it brûken fan lytsere EGaIn-druppels.Oer it algemien toant figuer 4 dat spontane wietting fan EGaIn kin wurde feroarsake en rjochte op mikrostruktureare oerflakken.Yn ferliking mei eardere wurken is dit wettingproses relatyf fluch en gjin eksterne krêft is nedich om folsleine wetting te berikken (oanfoljende tabel 2).
embleem fan 'e universiteit, de letter b, c yn' e foarm fan in wjerljocht.It absorbearjende gebiet is bedekt mei in array fan kolommen mei D = l = 25 µm.d, fergrutte bylden fan ribben yn e (c).Skaalbalken op (a–c) en (d, e) binne respektivelik 5 mm en 500 µm.Op (c–e) wurde lytse dripkes op it oerflak nei adsorpsje yn wetter as gefolch fan de reaksje tusken gallium okside en HCl-damp.Gjin signifikant effekt fan wetterfoarming op wietting waard waarnommen.Wetter wurdt maklik fuortsmiten troch in ienfâldich droegeproses.
Fanwegen de floeibere aard fan EGaIn kin EGaIn coated Cu/PDMS (EGaIn/Cu/PDMS) brûkt wurde foar fleksibele en rekbare elektroden.Figure 5a fergeliket de ferset feroarings fan oarspronklike Cu / PDMS en EGaIn / Cu / PDMS ûnder ferskillende loads.De wjerstân fan Cu / PDMS rint skerp yn spanning, wylst de wjerstân fan EGaIn / Cu / PDMS leech yn spanning bliuwt.Op fig.5b en d litte SEM-ôfbyldings en oerienkommende EMF-gegevens sjen fan rau Cu / PDMS en EGaIn / Cu / PDMS foar en nei spanningsapplikaasje.Foar yntakt Cu / PDMS kin deformation feroarsaakje barsten yn 'e hurde Cu film dellein op PDMS fanwege elasticity mismatch.Yn tsjinstelling, foar EGaIn / Cu / PDMS, EGaIn noch goed coats de Cu / PDMS substraat en ûnderhâldt elektryske kontinuïteit sûnder barsten of signifikante deformation sels nei strain wurdt tapast.De EDS-gegevens befêstige dat gallium en indium fan EGaIn evenredich ferdield waarden op it Cu / PDMS-substrat.It is opmerklik dat de dikte fan 'e EGaIn-film itselde is en te fergelykjen mei de hichte fan' e pylders. Dit wurdt ek befêstige troch fierdere topografyske analyze, wêrby't it relative ferskil tusken de dikte fan 'e EGaIn-film en de hichte fan' e post <10% is (Supplementary Fig. 8 en Tabel 3). Dit wurdt ek befêstige troch fierdere topografyske analyze, wêrby't it relative ferskil tusken de dikte fan 'e EGaIn-film en de hichte fan' e post <10% is (Supplementary Fig. 8 en Tabel 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница межа межоливис столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 en таблица 3). Dit wurdt ek befêstige troch fierdere topografyske analyze, dêr't de relative ferskil tusken EGaIn film dikte en kolom hichte is <10% (Supplementary Fig. 8 en Table 3).进一步的形貌分析也证实了这一点，其中EGaIn 薄膜厚度与柱子高度之间兛度之间弹度之间兏8 和表3). <10% Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница межди межди тойжди тойлщен й столба составляла <10% (дополнительный рис. 8 en таблица 3). Dit waard ek befêstige troch fierdere topografyske analyze, dêr't it relative ferskil tusken EGaIn film dikte en kolom hichte wie <10% (Supplementary Fig. 8 en Table 3).Dizze imbibition-basearre wieting lit de dikte fan EGaIn-coatings goed kontroleare en stabyl wurde hâlden oer grutte gebieten, wat oars útdaagjend is troch syn floeibere aard.Figuren 5c en e ferlykje de conductivity en ferset tsjin deformation fan de oarspronklike Cu / PDMS en EGaIn / Cu / PDMS.Yn 'e demo waard de LED ynskeakele as ferbûn mei ûnoantaaste Cu / PDMS of EGaIn / Cu / PDMS elektroden.Wannear't yntakt Cu / PDMS wurdt spand, de LED wurdt útskeakele.De EGaIn / Cu / PDMS-elektroden bleaunen lykwols elektrysk ferbûn sels ûnder load, en it LED-ljocht ferdwûn mar in bytsje troch de ferhege elektrodeweerstand.
in Normalisearre wjerstân feroaret mei tanimmende lading op Cu / PDMS en EGaIn / Cu / PDMS.b, d SEM bylden en enerzjy dispersive X-ray spektroskopy (EDS) analyze foar (boppe) en nei (ûnder) polydiplexes laden yn (b) Cu / PDMS en (d) EGaIn / Cu / methylsiloxane.c, e LED's taheakke oan (c) Cu / PDMS en (e) EGaIn / Cu / PDMS foar (boppe) en nei (ûnder) stretching (~ 30% stress).De skaalbalke yn (b) en (d) is 50 µm.
Op fig.6a toant de wjerstân fan EGaIn / Cu / PDMS as funksje fan strain fan 0% oant 70%.De ferheging en herstel fan wjerstân is evenredich mei deformaasje, wat yn goede oerienstimming is mei de wet fan Pouillet foar ynkompressibele materialen (R/R0 = (1 + ε)2), wêrby't R is ferset, R0 is initial ferset, ε is strain 43. Oare ûndersiken hawwe sjen litten dat wannear't útrekt wurde, fêste dieltsjes yn in floeibere medium harsels kinne opnij regelje en wurde mei bettere gearhing mear gelijkmatig ferdield, wêrtroch't de ferheging fan drag 43, 44 ferminderje. Yn dit wurk, lykwols, de dirigint is> 99% floeiber metaal troch folume sûnt de Cu films binne mar 100 nm dik. Yn dit wurk, lykwols, de dirigint is> 99% floeiber metaal troch folume sûnt de Cu films binne mar 100 nm dik. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как пленки Cu имещто 0. Yn dit wurk bestiet de dirigint lykwols út> 99% floeiber metaal per folume, om't de Cu-films mar 100 nm dik binne.然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有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>99%Lykwols, yn dit wurk, sûnt de Cu-film is mar 100 nm dik, de dirigint bestiet út mear as 99% floeiber metaal (folume).Dêrom ferwachtsje wy net dat Cu in wichtige bydrage leveret oan de elektromechanyske eigenskippen fan diriginten.
in normalisearre feroaring yn EGaIn / Cu / PDMS ferset tsjin strain yn it berik 0-70%.De maksimale stress berikt foardat it mislearjen fan 'e PDMS wie 70% (Supplementary Fig. 9).Reade stippen binne teoretyske wearden foarsein troch de wet fan Puet.b EGaIn / Cu / PDMS conductivity stabiliteit test ûnder werhelle stretch-stretch syklusen.In 30% strain waard brûkt yn de cyclic test.De skaalbalke op it ynset is 0,5 sm.L is de inisjele lingte fan EGaIn / Cu / PDMS foardat stretching.
De mjitfaktor (GF) drukt de gefoelichheid fan 'e sensor út en wurdt definiearre as de ferhâlding fan feroaring yn wjerstân tsjin feroaring yn strain45.GF ferhege fan 1,7 by 10% strain nei 2,6 by 70% strain troch de geometryske feroaring fan it metaal.Yn ferliking mei oare strain gauges, de GF EGaIn / Cu / PDMS wearde is matig.As sensor, hoewol syn GF miskien net bysûnder heech is, toant de EGaIn / Cu / PDMS robúste fersetferoaring yn antwurd op in lege sinjaal-oan-lûdferhâldingsbelesting.Om de konduktiviteitstabiliteit fan EGaIn / Cu / PDMS te evaluearjen, waard de elektryske wjerstân kontrolearre tidens werhelle stretch-stretch-syklusen by 30% strain.As werjûn yn fig.6b, nei 4000 stretch-syklusen, bleau de wjerstânswearde binnen 10%, wat kin wêze troch de trochgeande formaasje fan skaal tidens werhelle stretch-syklusen46.Sa waarden de elektryske stabiliteit op lange termyn fan EGaIn / Cu / PDMS as in rekbare elektrode en de betrouberens fan it sinjaal as in strain gauge befêstige.
Yn dit artikel besprekke wy de ferbettere befeiligingseigenskippen fan GaLM op mikrostruktureare metalen oerflakken feroarsake troch ynfiltraasje.Spontane folsleine wetting fan EGaIn waard berikt op kolom- en piramidale metalen oerflakken yn 'e oanwêzigens fan HCl-damp.Dit kin numeryk ferklearre wurde op basis fan it Wenzel-model en it wickingproses, dat de grutte toant fan 'e post-mikrostruktuer dy't nedich is foar wicking-induzearre wieting.Spontane en selektive wetting fan EGaIn, begelaat troch in microstructured metalen oerflak, makket it mooglik om te passen unifoarme coating oer grutte gebieten en foarmje floeibere metalen patroanen.EGaIn-coated Cu / PDMS-substraten behâlde elektryske ferbiningen, sels as se útrekt binne en nei werhelle stretch-syklusen, lykas befêstige troch SEM, EDS, en elektryske wjerstânmjittingen.Derneist feroaret de elektryske wjerstân fan Cu / PDMS bedekt mei EGaIn reversibel en betrouber yn ferhâlding ta de tapaste strain, wat oanjout op syn potinsjele tapassing as strain sensor.Mooglike foardielen foarsjoen troch de floeibere metalen wetting prinsipe feroarsake troch imbibition binne as folget: (1) GaLM coating en patroan kin berikt wurde sûnder eksterne krêft;(2) GaLM-wetting op it koper-coated mikrostruktuer oerflak is termodynamysk.de resultearjende GaLM-film is stabyl sels ûnder deformaasje;(3) feroarjen fan de hichte fan de koper-coated kolom kin foarmje in GaLM film mei kontrolearre dikte.Dêrneist ferleget dizze oanpak it bedrach fan GaLM nedich om de film te foarmjen, om't de pylders diel fan 'e film besette.Bygelyks, as in array fan pylders mei in diameter fan 200 μm (mei in ôfstân tusken de pylders fan 25 μm) ynfierd wurdt, is it folume fan GaLM nedich foar filmfoarming (~ 9 μm3 / μm2) te fergelykjen mei it filmvolumint sûnder pylders.(25 µm3/µm2).Lykwols, yn dit gefal moat rekken hâlden wurde dat de teoretyske wjerstân, rûsd neffens de wet fan Puet, ek tanimt njoggen kear.Oer it algemien biede de unike befeiligingseigenskippen fan floeibere metalen besprutsen yn dit artikel in effisjinte manier om floeibere metalen te deponearje op in ferskaat oan substraten foar rekbare elektroanika en oare opkommende applikaasjes.
PDMS-substraten waarden taret troch it mingjen fan Sylgard 184-matrix (Dow Corning, Feriene Steaten) en hardener yn ferhâldingen fan 10: 1 en 15: 1 foar trektests, folge troch hurde yn in oven by 60 ° C.Koper of silisium waard dellein op silisium wafers (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republyk Korea) en PDMS substrates mei in 10 nm dikke titanium adhesive laach mei help fan in oanpaste sputtering systeem.Columnar en piramidale struktueren wurde dellein op in PDMS substraat mei help fan in silisium wafer fotolitografysk proses.De breedte en hichte fan it piramidale patroan binne respektivelik 25 en 18 µm.De hichte fan it barpatroan waard fêstmakke op 25 µm, 10 µm en 1 µm, en har diameter en pitch farieare fan 25 oant 200 µm.
De kontaktwinkel fan EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republyk Korea) waard mjitten mei in dripfoarmanalysator (DSA100S, KRUSS, Dútslân). De kontaktwinkel fan EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republyk Korea) waard mjitten mei in dripfoarmanalysator (DSA100S, KRUSS, Dútslân). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) KRUSS, GERMANIA). De rânehoeke fan EGaIn (gallium 75.5% / indium 24.5%, > 99.99%, Sigma Aldrich, Republyk Korea) waard mjitten mei in druppelanalysator (DSA100S, KRUSS, Dútslân). EGaIn（镓75.5%/铟24.5%，>99.99%，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形分枼伌弌分枼伌後分枼伌，刵，，，用滴形分枼伌弌分枼伌，徵量. EGaIn (gallium75.5%/indium24.5%, >99.99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) waard metten mei in kontaktanalysator (DSA100S, KRUSS, Dútslân). (Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощрафиса 0 пр SS, Dútslân). De rânehoek fan EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republyk Korea) waard mjitten mei in foarmkapanalysator (DSA100S, KRUSS, Dútslân).Plak it substraat yn in 5 cm × 5 cm × 5 cm glêzen keamer en pleats in 4-5 μl drip fan EGaIn op it substraat mei in spuit mei in diameter fan 0.5 mm.Om in HCl-dampmedium te meitsjen, waard 20 μL HCl-oplossing (37 wt.%, Samchun Chemicals, Republyk Korea) neist it substraat pleatst, dat genôch waard ferdampt om de keamer binnen 10 s te foljen.
It oerflak waard ôfbylde mei SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republyk Korea).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republyk Korea) waard brûkt om elemintêre kwalitative analyze en distribúsje te studearjen.De EGaIn/Cu/PDMS oerflaktopografy waard analysearre mei in optyske profilometer (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
Om de feroaring yn elektryske konduktiviteit te ûndersiikjen tidens stretching-syklusen, waarden de samples mei en sûnder EGaIn op 'e stretch-apparatuer (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republyk Korea) klemmen en waarden elektrysk ferbûn mei in Keithley 2400 boarne meter. Om de feroaring yn elektryske konduktiviteit te ûndersiikjen tidens stretching-syklusen, waarden de samples mei en sûnder EGaIn op 'e stretch-apparatuer (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republyk Korea) klemmen en waarden elektrysk ferbûn mei in Keithley 2400 boarne meter. Для исследования изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без него закри ия (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) en электрически подключали измерителю источника Keithley 2400. Om de feroaring yn elektryske konduktiviteit te studearjen tidens stretch-syklusen, waarden samples mei en sûnder EGaIn monteard op in stretch-apparatuer (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republyk Korea) en elektrysk ferbûn oan in Keithley 2400 boarne meter.Om de feroaring yn elektryske konduktiviteit te studearjen tidens stretch-syklusen, waarden samples mei en sûnder EGaIn monteard op in stretch-apparaat (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republyk Korea) en elektrysk ferbûn mei in Keithley 2400 SourceMeter.Maat de feroaring yn wjerstân yn it berik fan 0% oant 70% fan sample strain.Foar de stabiliteitstest waard de feroaring yn wjerstân mjitten oer 4000 30% strain cycles.
Foar mear ynformaasje oer stúdzjeûntwerp, sjoch de Nature study abstract keppele oan dit artikel.
Gegevens dy't de resultaten fan dizze stúdzje stypje, wurde presintearre yn 'e Oanfoljende ynformaasje en Raw Data-bestannen.Dit artikel jout de orizjinele gegevens.
Daeneke, T. et al.Flüssige metalen: gemyske basis en applikaasjes.Gemysk.maatskippij.47, 4073-4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributen, fabrikaazje, en tapassingen fan gallium-basearre floeibere metalen dieltsjes. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributen, fabrikaazje, en tapassingen fan gallium-basearre floeibere metalen dieltsjes.Lin, Y., Genzer, J. en Dickey, MD Eigenskippen, fabrikaazje en tapassing fan gallium-basearre floeibere metalen dieltsjes. 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. en Dickey, MD Eigenskippen, fabrikaazje en tapassing fan gallium-basearre floeibere metalen dieltsjes.Avansearre wittenskip.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD, & Velev, OD. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD, en Velev, OD Oan circuits dy't folslein út sêfte matearje gearstald binne: prototypen fan kwasi-floeibere apparaten mei memristor-eigenskippen. 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, en Velev, OD Towards Circuits All Soft Matter: Prototypes of Quasi-Fluid Devices with Memristor Properties.Avansearre alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK.Bilodo RA, Zemlyanov DYu, Kramer RK Liquid metal switches foar miljeufreonlike elektroanika. 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, Zemljanov DY, Kramer RKBilodo RA, Zemlyanov DYu, Kramer RK Liquid metal switches foar miljeufreonlike elektroanika.Avansearre alma mater.Ynterface 4, 1600913 (2017).
Dus, JH, Koo, HJ, Dickey, MD, & Velev, OD Ionyske stroomrjochting yn sêfte materiediodes mei floeibere metalen elektroden. Dat, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD . Sa, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionyske stroomrjochting yn sêft materiaal diodes mei floeibere metalen elektroden. So, 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. Dus, JH, Koo, HJ, Dickey, MD, & Velev, OD Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Sa, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionyske stroomrjochting yn sêft materiaal diodes mei floeibere metalen elektroden.Útwreide mooglikheden.alma mater.22, 625-631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication foar alle-sêfte en hege tichtheid elektroanyske apparaten basearre op floeiber metaal. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication foar alle-sêfte en hege tichtheid elektroanyske apparaten basearre op floeiber metaal.Kim, M.-G., Brown, DK en Brand, O. Nanofabrication foar alle-sêfte en hege tichtheid floeibere metaal-basearre elektroanyske apparaten.Kim, M.-G., Brown, DK, and Brand, O. Nanofabrication fan hege tichtheid, all-sêfte elektroanika basearre op floeiber metaal.Nasjonale gemeente.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn is in útwreidzjen elektron shell foar ynteraktive elektroanika en CT lokalisaasje.alma mater.Peil.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag-In-Ga E-skin for bioelectronics and human-machine interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag-In-Ga E-skin for bioelectronics and human-machine interaction.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K., en Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin foar Bioelectronics en Human-Machine Interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag-In-Ga E-skin foar bioelectronics en minske-masine ynteraksje. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted electronics: ultrathin stretchable Ag-In-Ga E-skin foar bioelectronics en minske-masine ynteraksje.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K., en Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin foar Bioelectronics en Human-Machine Interaction.ACS
Yang, Y. et al.Ultra-tensile en manipulearre triboelectric nanogenerators basearre op floeibere metalen foar wearable elektroanika.SAU Nano 12, 2027-2034 (2018).
Gao, K. et al.Untwikkeling fan mikrokanaalstruktueren foar overstretchsensors basearre op floeibere metalen by keamertemperatuer.de wittenskip.Ferslach 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.EGaIn superelastyske gearstalde fezels kinne 500% trekspanning wjerstean en hawwe poerbêste elektryske konduktiviteit foar draachbere elektroanika.ACS ferwiist nei alma mater.Ynterface 12, 6112-6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkte bedrading fan eutektysk gallium-indium nei in metalen elektrode foar sêfte sensorsystemen. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkte bedrading fan eutektysk gallium-indium nei in metalen elektrode foar sêfte sensorsystemen.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. en Bae, J. Direkte bonding fan eutektysk gallium-indium oan metalen elektroden foar sêfte sensingsystemen. 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 metalen elektrodes direkt ferbûn oan sêft sensorsysteem.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. en Bae, J. Direkte bonding fan eutektysk gallium-indium oan metalen elektroden foar sêfte sensorsystemen.ACS ferwiist nei alma mater.Interfaces 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Flüssige metaal-folle magnetoreologyske elastomers mei positive piëzoelektrisiteit.Nasjonale gemeente.10, 1–9 (2019).
Kim.Nanolet.15, 5240-5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universeel autonome selshealjende elastomeer mei hege stretchability. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universeel autonome selshealjende elastomeer mei hege stretchability.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J., en Zhang, L. Versatile selshealjende elastomer mei hege elastisiteit. 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., en Zhang L. Versatile offline selshealjende hege tensile elastomers.Nasjonale gemeente.11, 1–9 (2020).
Zhu X. et al.Ultradrawn metalen conductive fezels mei help fan floeibere metalen alloy kearnen.Útwreide mooglikheden.alma mater.23, 2308-2314 (2013).
Khan, J. et al.Stúdzje fan elektrogemyske drukken fan floeibere metalen draad.ACS ferwiist nei alma mater.Ynterface 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. et al.Ferdamping-induzearre sintering fan floeibere metalen druppels mei bionanofibers foar fleksibele elektryske conductivity en responsive actuation.Nasjonale gemeente.10, 1–9 (2019).
Dicky, MD et al.Eutektysk gallium-indium (EGaIn): floeibere metaallegering brûkt om stabile struktueren te foarmjen yn mikrokanalen by keamertemperatuer.Útwreide mooglikheden.alma mater.18, 1097-1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Liquid metaal basearre sêfte robotika: materialen, ûntwerpen en tapassingen. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Liquid metaal basearre sêfte robotika: materialen, ûntwerpen en tapassingen.Wang, X., Guo, R. en Liu, J. Soft robotika basearre op floeiber metaal: materialen, bou en tapassingen. 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. Liquid metaal-basearre sêfte robots: materialen, ûntwerp en tapassingen.Wang, X., Guo, R. en Liu, J. Soft robots basearre op floeiber metaal: materialen, bou en tapassingen.Avansearre alma mater.technology 4, 1800549 (2019).