马星教授团队在《自然•电子学》发表液体金属柔性电子领域重要研究成果

coco2017

近日，哈工大（深圳）马星教授与中科院深圳先进技术研究院刘志远研究员合作，提出了将镓基液态金属凝固并在固体状态进行塑性变形以制备3D液态金属柔性电子的方案，研究成果以“Three-dimensional flexible electronics using solidified liquid metal with regulated plasticity”为题发表在国际顶级期刊《自然•电子学》(Nature Electronics)。
       柔性可拉伸导体具有可承受大应变且保持稳定导电性的能力，已广泛应用于人机界面、柔性机器人、可穿戴健康监测设备等领域。近年来，导体结构设计和材料设计等方面的创新为可拉伸导体领域带来显著发展。其中，镓基液态金属具有室温流动性、金属导电性、安全无毒等特点，已广泛应用于柔性电子领域。柔性电子器件的集成性和可靠性早已成为该领域研究的热点，构建3D柔性电子被认为是提高器件集成性的有效途径之一。然而，液态金属的流动属性在为柔性器件提供了优异可变形性的同时，却给3D结构柔性电子的制备带来极大困难。传统的2D液态金属导体制备方法并不适用于3D液态金属导体的制备。目前通常采用通道填充法制备3D结构的液态金属导体，但该方法流程繁琐，尤其是在集成功能性电子元件方面存在明显短板。此外，3D打印、冷冻打印、悬浮打印等方案仅能够制备简单的拱形或垂直结构的3D液态金属导体，制约了3D液态金属柔性电子器件的进一步应用。
        马星教授团队提出了将液态金属凝固并在固体状态下进行塑性变形和柔性封装的3D液态金属柔性电子制备方案，以亚共晶Ga-In合金作为研究对象，探明了In合金化元素含量对亚共晶Ga-In合金力学性能和热力学相变行为的影响机制，并筛选出具有中等屈服强度、优异延伸率、显著过冷效应且室温为液态的Ga-10In合金作为无通道法制备复杂3D结构柔性电子的材料。由于Ga-10In合金具有优异的塑性变形性能，理论上可以被变形为任意形状的3D结构导体。在Ga-10In为固态时对其进行塑性结构变形并完成封装，待硅胶材料交联后将温度升高至熔点以上使其熔化并恢复流动性，完成电子器件制备。该方案不仅在制备复杂3D结构柔性电路方面具有明显优势，而且极大简化了传统3D液态金属微小结构的制备工艺。
         为证明该方案在复杂3D柔性器件的应用潜力，研究人员设计并制备了3D液态金属应变传感器、3D导体结构的LED阵列以及3D结构的可穿戴动作传感装置等柔性电子器件。利用Ga-10In液态金属优异的塑性变形能力以及弹性体杨氏模量差异引起的应力/应变再分配，该研究得到了迄今为止灵敏度最高的液态金属应变传感器，相较于之前的研究工作，GF值提高了400倍以上。

图1 基于可塑性变形的凝固态液态金属的3D柔性电子。

(a) 液态的Ga-10In转变为固态的片状和棒状示意图；

(b) 不同In元素含量的Ga-In合金的塑性变形能力对比；

(c) Ga-10In低温拉伸性能；(d) Ga-10In热行为测试；(e) 3D柔性电子器件展示。

       该研究从金属学基础原理出发，结合柔性电子制备工艺创新和器件结构/功能创新，引领了多用途3D柔性电子器件制备技术发展，为未来进一步开发基于液体金属的智能化电学响应微纳米机器人提供了重要研究基础和技术参考。
        该论文第一作者为哈工大（深圳）博士研究生李国强，第一完成单位为哈工大（深圳），通讯作者为哈工大（深圳）马星教授与中科院深圳先进研究院刘志远研究员。哈工大（深圳）、中科院深圳先进技术研究院、上海交通大学等高校和研究所共同参与此项研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划等项目的支持。
         文章来源：哈工大（深圳）
        马星博士，广东青年五四奖章获得者，德国洪堡学者，2021年度获得深圳市青年科技奖，曾获马普智能所Günter Petzow Prize。担任中科院一区期刊J. Mater. Sci&Tech.(影响因子:8.067)学术副主编，担任SmartMat、Smart Materials in Medicine、ChemPlusChem等多个国际期刊编辑，广东省材料研究学会青年委员会副主任，中国微米纳米技术学会微纳执行器分会理事。发表SCI论文100余篇，其中代表性论文（一作或通讯）包括：J. Am. Chem. Soc.(5篇)，ACS Nano（5篇），Adv. Mater. (2篇)，Adv. Funct. Mater. (5篇)， Nano Letters (1篇），Angew. Chem. Int. Ed. (1篇)，Research（2篇）等，引用8000余次, H因子50。主持国自然重大研究计划（培育项目）（1项）、国自然面上项目（1项）和青年项目（1项）、广东省面上项目（1项）、深圳市重点项目（1项）、深圳湾实验室开放课题项目（1项），并参与深圳市孔雀团队项目、诺奖实验室等国家省市各级项目，共10余项。2020年12月，负责人的研究成果《微纳机器人设计理论与控制方法》获得黑龙江省自然科学一等奖（排名第2）。