生物质纳米纤维助力液态金属液滴蒸发烧结及其柔性智能器件构筑

来源： 高分子科学前沿  |

      随着电子科技的高速发展，人们生活水平的不断提高，柔性电子器件的需求与日俱增。柔性电子技术需要电子器件具有柔性、可拉伸性、生物相容性等诸多新性质。液体金属（Liquid Metal, LM）完美结合了液体的形变能力与金属的导电能力，而且具有良好的化学稳定性和优异的生物相容性，是理想的柔性电路材料。然而，LM表面张力极大（例如镓铟合金（其中74.5 wt% Ga和25.5 wt %In），624 mN m−1），难以加工，也难以与其它基底等材料复合，大大限制了LM在柔性电子领域的实际应用。将LM通过研磨或者超声处理，制备成LM微纳液滴分散液，用作电子墨水，不仅增加了液体金属的可加工性质（例如，打印电子技术），而且可以大幅增加其与柔性基底的亲和性。由于LM微纳液滴表面氧化层的存在，其组成的电路需要通过外压力、激光、高温等处理恢复其导电性，这些后处理技术不仅耗费能量，而且在应用上存在诸多局限性。

      近日，中科院青岛生物能源与过程所的仿生智能材料团队，在李朝旭研究员的带领下，对液态金属液滴的烧结方面取得了新的研究进展。该课题组发现，在生物基纳米纤维（Nanofibers, NFs）（例如：纤维素NFs、甲壳素NFs、蚕丝NFs等）的水分散液中超声LM，可以得到稳定分散的LM微纳液滴；常温常压下干燥分散液，LM微纳液滴能够烧结成连续的液体金属导电薄膜（视频1），而没有添加生物基NFs的EGaIn微纳液滴水基分散液干燥后仅能得到离散的EGaIn微纳液滴，不具备导电性（图1）。

图1 A、生物基NFs辅助超声制备及稳定LM微纳液滴；B、溶剂蒸发过程中，生物基NFs增强毛细作用力促进LM液滴烧结；C、生物基NFs可作为结构稳定剂将LM薄膜稳定在多种材质的基底上。

      研究表明，生物基NFs可能具有三个方面的作用：一方面是基于生物质纳米纤维具有丰富的亲水基团（例如羟基、羧基等），可以在超声过程中与Ga3+交联，降低液态金属的粒径和增加液态金属液滴的胶体稳定性（图1A）；另一方面是生物质纳米纤维可以通过在蒸发过程中收缩和较高的毛细作用力破坏液态金属液滴外面包覆的壳层（图1B）；再一方面是增大液态金属层对基底的粘附力，使其可以稳定附着在玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯（Polyethylene terephthalate，PET）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene-ethylene-butene-styrene block copolymer，SEBS）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMD）、油纸等多种材质表面（图1C）。

      该策略不仅可以烧结LM液滴形成表面涂层，而且可以与NFs形成LM/NFs异面薄膜材料。这些材料具有柔性、高反射率（视频1）、可伸缩导电性（伸长率达200%）、良好的电磁屏蔽效果、生物降解性和对湿度、光、电具有超快的刺激响应性（视频2）等特点。蒸发诱导烧结的方法不仅拓展了LM液滴烧结的基础理论，也为制备集柔性、导电性、生物降解性于一体的涂层和自支撑复合材料提供了新的思路，这种方法可广泛应用于微电路、传感、可穿戴设备和柔性机器人等柔性电子学领域。该研究成果发表于近期的Nature Communications上。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11466-5