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Qui dimostriamo le proprietà di bagnatura indotte dall'imbibizione, spontanee e selettive delle leghe di metalli liquidi a base di gallio su superfici metallizzate con caratteristiche topografiche su microscala.Le leghe di metalli liquidi a base di gallio sono materiali straordinari con un'enorme tensione superficiale.Pertanto, è difficile trasformarli in film sottili.La bagnatura completa della lega eutettica di gallio e indio è stata ottenuta sulla superficie di rame microstrutturata in presenza di vapori di HCl, che hanno rimosso l'ossido naturale dalla lega metallica liquida.Questa bagnatura è spiegata numericamente sulla base del modello Wenzel e del processo di osmosi, dimostrando che la dimensione della microstruttura è fondamentale per un'efficiente bagnatura dei metalli liquidi indotta dall'osmosi.Inoltre, dimostriamo che la bagnatura spontanea dei metalli liquidi può essere diretta selettivamente lungo regioni microstrutturate su una superficie metallica per creare modelli.Questo semplice processo riveste e modella uniformemente il metallo liquido su ampie aree senza forza esterna o manipolazione complessa.Abbiamo dimostrato che i substrati modellati in metallo liquido mantengono le connessioni elettriche anche quando allungati e dopo ripetuti cicli di allungamento.
Le leghe di metalli liquidi a base di gallio (GaLM) hanno attirato molta attenzione grazie alle loro proprietà attraenti come basso punto di fusione, elevata conduttività elettrica, bassa viscosità e flusso, bassa tossicità ed elevata deformabilità1,2.Il gallio puro ha un punto di fusione di circa 30 ° C e, quando fuso in composizioni eutettiche con alcuni metalli come In e Sn, il punto di fusione è inferiore alla temperatura ambiente.I due GaLM importanti sono la lega eutettica di gallio indio (EGaIn, 75% Ga e 25% In in peso, punto di fusione: 15,5 ° C) e la lega eutettica di gallio indio stagno (GaInSn o galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In e 10 % stagno, punto di fusione: ~11 °C)1.2.A causa della loro conduttività elettrica nella fase liquida, i GaLM vengono attivamente studiati come percorsi elettronici deformabili o deformabili per una varietà di applicazioni, inclusi sensori elettronici3,4,5,6,7,8,9 deformati o curvi10, 11, 12 , 13, 14 e conduttori 15, 16, 17. La fabbricazione di tali dispositivi mediante deposizione, stampa e modellazione da GaLM richiede la conoscenza e il controllo delle proprietà interfacciali del GaLM e del suo substrato sottostante.I GaLM hanno un'elevata tensione superficiale (624 mNm-1 per EGaIn18,19 e 534 mNm-1 per Galinstan20,21) che può renderli difficili da maneggiare o manipolare.La formazione di una crosta dura di ossido di gallio nativo sulla superficie del GaLM in condizioni ambientali fornisce un guscio che stabilizza il GaLM in una forma non sferica.Questa proprietà consente al GaLM di essere stampato, impiantato in microcanali e modellato con la stabilità interfacciale ottenuta dagli ossidi19,22,23,24,25,26,27.Il guscio di ossido duro consente inoltre al GaLM di aderire alla maggior parte delle superfici lisce, ma impedisce ai metalli a bassa viscosità di fluire liberamente.La propagazione del GaLM sulla maggior parte delle superfici richiede forza per rompere il guscio di ossido28,29.
I gusci di ossido possono essere rimossi, ad esempio, con acidi o basi forti.In assenza di ossidi, il GaLM forma gocce su quasi tutte le superfici a causa della loro enorme tensione superficiale, ma ci sono delle eccezioni: il GaLM bagna i substrati metallici.Il Ga forma legami metallici con altri metalli attraverso un processo noto come “bagnatura reattiva”30,31,32.Questa bagnatura reattiva viene spesso esaminata in assenza di ossidi superficiali per facilitare il contatto metallo-metallo.Tuttavia, anche con gli ossidi nativi nel GaLM, è stato riportato che i contatti metallo-metallo si formano quando gli ossidi si rompono a contatto con superfici metalliche lisce29.La bagnatura reattiva determina angoli di contatto bassi e una buona bagnatura della maggior parte dei substrati metallici33,34,35.
Ad oggi sono stati condotti numerosi studi sull'utilizzo delle proprietà favorevoli della bagnatura reattiva del GaLM con i metalli per formare un modello GaLM.Ad esempio, il GaLM è stato applicato a piste metalliche solide modellate mediante spalmatura, rotolamento, spruzzatura o mascheratura d'ombra34, 35, 36, 37, 38. La bagnatura selettiva del GaLM su metalli duri consente al GaLM di formare modelli stabili e ben definiti.Tuttavia, l’elevata tensione superficiale del GaLM ostacola la formazione di film sottili altamente uniformi anche su substrati metallici.Per affrontare questo problema, Lacour et al.hanno riportato un metodo per produrre pellicole sottili di GaLM lisce e piatte su ampie aree facendo evaporare gallio puro su substrati microstrutturati rivestiti in oro37,39.Questo metodo richiede la deposizione sotto vuoto, che è molto lenta.Inoltre, il GaLM generalmente non è consentito per tali dispositivi a causa del possibile infragilimento40.L'evaporazione deposita anche il materiale sul substrato, quindi è necessario un motivo per creare il motivo.Stiamo cercando un modo per creare pellicole e modelli lisci di GaLM progettando caratteristiche topografiche metalliche che il GaLM bagna spontaneamente e selettivamente in assenza di ossidi naturali.Qui riportiamo la bagnatura selettiva spontanea di EGaIn privo di ossido (tipico GaLM) utilizzando il comportamento di bagnatura unico su substrati metallici strutturati fotolitograficamente.Creiamo strutture superficiali definite fotolitograficamente a livello micro per studiare l'imbibizione, controllando così la bagnatura dei metalli liquidi privi di ossidi.Le proprietà bagnanti migliorate di EGaIn su superfici metalliche microstrutturate sono spiegate mediante analisi numeriche basate sul modello Wenzel e sul processo di impregnazione.Infine, dimostriamo la deposizione e la modellazione di un'ampia area di EGaIn attraverso l'autoassorbimento, la bagnatura spontanea e selettiva su superfici di deposizione metallica microstrutturate.Elettrodi di trazione ed estensimetri che incorporano strutture EGaIn sono presentati come potenziali applicazioni.
L'assorbimento è un trasporto capillare in cui il liquido invade la superficie strutturata 41, che facilita la diffusione del liquido.Abbiamo studiato il comportamento di bagnatura di EGaIn su superfici metalliche microstrutturate depositate in vapore HCl (Fig. 1).Come metallo per la superficie sottostante è stato scelto il rame. Su superfici piane di rame, EGaIn ha mostrato un basso angolo di contatto <20° in presenza di vapore HCl, a causa della bagnatura reattiva31 (Figura 1 supplementare). Su superfici piane di rame, EGaIn ha mostrato un basso angolo di contatto <20° in presenza di vapore HCl, a causa della bagnatura reattiva31 (Figura 1 supplementare). In un ambiente di scarsa qualità EGaIn ha causato una leggera reazione dell'HCl a <20 °C ания31 (risposta 1). Su superfici piane di rame, EGaIn ha mostrato un angolo di contatto basso <20° in presenza di vapore HCl dovuto alla bagnatura reattiva31 (Figura 1 supplementare).在平坦的铜表面上,由于反应润湿,EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下显示出<20° 的低接触角31（补充图1 ）。EGaIn在存在HCl In un ambiente di scarsa qualità EGaIn dimostra una temperatura inferiore a 20 ° in un'area di HCl molto reattiva чивания (дополнительный рисунок 1). Sulle superfici piane di rame, EGaIn presenta angoli di contatto bassi <20° in presenza di vapore HCl a causa della bagnatura reattiva (Figura 1 supplementare).Abbiamo misurato gli angoli di contatto stretti di EGaIn su rame sfuso e su pellicole di rame depositate su polidimetilsilossano (PDMS).
a Microstrutture colonnari (D (diametro) = l (distanza) = 25 µm, d (distanza tra le colonne) = 50 µm, H (altezza) = 25 µm) e piramidali (larghezza = 25 µm, altezza = 18 µm) su Cu /substrati PDMS.b Cambiamenti dipendenti dal tempo nell'angolo di contatto su substrati piatti (senza microstrutture) e matrici di pilastri e piramidi contenenti PDMS rivestito di rame.c, d Registrazione a intervalli di (c) vista laterale e (d) vista dall'alto della bagnatura di EGaIn sulla superficie con pilastri in presenza di vapore di HCl.
Per valutare l'effetto della topografia sulla bagnatura, sono stati preparati substrati PDMS con schema colonnare e piramidale, sui quali è stato depositato il rame con uno strato adesivo di titanio (Fig. 1a).È stato dimostrato che la superficie microstrutturata del substrato PDMS era rivestita in modo conforme con rame (Figura 2 supplementare).Gli angoli di contatto dipendenti dal tempo di EGaIn su PDMS modellato e planare spruzzato di rame (Cu / PDMS) sono mostrati nelle Figg.1b.L'angolo di contatto di EGaIn su rame modellato/PDMS scende a 0° entro ~1 min.La migliore bagnabilità delle microstrutture EGaIn può essere sfruttata dall'equazione di Wenzel\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), dove \({\theta}_{{rough}}\) rappresenta l'angolo di contatto della superficie ruvida, \ (r \) Rugosità superficiale (= area effettiva/area apparente) e angolo di contatto sul piano \({\theta}_{0}\).I risultati della bagnatura migliorata di EGaIn sulle superfici modellate sono in buon accordo con il modello Wenzel, poiché i valori r per le superfici posteriori e piramidali sono rispettivamente 1,78 e 1,73.Ciò significa anche che una goccia di EGaIn situata su una superficie modellata penetrerà nelle scanalature del rilievo sottostante.È importante notare che in questo caso si formano pellicole piatte molto uniformi, in contrasto con il caso di EGaIn su superfici non strutturate (Figura 1 supplementare).
Dalla fig.1c, d (Filmato supplementare 1) si può vedere che dopo 30 s, quando l'angolo di contatto apparente si avvicina a 0 °, EGaIn inizia a diffondersi più lontano dal bordo della goccia, che è causato dall'assorbimento (Filmato supplementare 2 e Film supplementare Figura 3).Precedenti studi su superfici piane hanno associato la scala temporale della bagnatura reattiva con la transizione dalla bagnatura inerziale a quella viscosa.La dimensione del terreno è uno dei fattori chiave nel determinare se avviene l'autoadescamento.Confrontando l'energia superficiale prima e dopo l'imbibizione da un punto di vista termodinamico, è stato derivato l'angolo di contatto critico \({\theta}_{c}\) dell'imbibizione (vedere Discussione Supplementare per i dettagli).Il risultato \({\theta}_{c}\) è definito come \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) dove \({\phi}_{s}\) rappresenta l'area frazionaria nella parte superiore del post e \(r\ ) rappresenta la rugosità superficiale. L'imbibizione può verificarsi quando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), cioè l'angolo di contatto su una superficie piana. L'imbibizione può verificarsi quando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), cioè l'angolo di contatto su una superficie piana. La scrittura può essere eseguita quando \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.e.contatto con l'alimentazione elettrica. L'assorbimento può verificarsi quando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), cioè l'angolo di contatto su una superficie piana.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. Il problema è quando \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), contatto sulla tastiera. L'aspirazione avviene quando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), angolo di contatto sul piano.Per le superfici post-modellate, \(r\) e \({\phi}_{s}\) sono calcolati come \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) e \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), dove \(R\) rappresenta il raggio della colonna, \(H\) rappresenta l'altezza della colonna e \ ( d\) è la distanza tra i centri di due pilastri (Fig. 1a).Per la superficie poststrutturata di fig.1a, l'angolo \({\theta}_{c}\) è 60°, che è maggiore del piano \({\theta}_{0}\) (~25° ) nel vapore di HCl EGaIn privo di ossidi su Cu/PDMS.Pertanto, le goccioline di EGaIn possono facilmente invadere la superficie strutturata di deposizione di rame nella Figura 1a a causa dell'assorbimento.
Per studiare l'effetto della dimensione topografica del modello sulla bagnatura e sull'assorbimento di EGaIn, abbiamo variato la dimensione dei pilastri rivestiti di rame.Nella fig.2 mostra gli angoli di contatto e l'assorbimento di EGaIn su questi substrati.La distanza l tra le colonne è pari al diametro delle colonne D e varia da 25 a 200 μm.L'altezza di 25 µm è costante per tutte le colonne.\({\theta}_{c}\) diminuisce con l'aumentare della dimensione della colonna (Tabella 1), il che significa che l'assorbimento è meno probabile su substrati con colonne più grandi.Per tutte le dimensioni testate, \({\theta}_{c}\) è maggiore di \({\theta}_{0}\) ed è previsto il drenaggio.Tuttavia, l'assorbimento è raramente osservato per superfici post-modellate con l e D 200 µm (Fig. 2e).
un angolo di contatto dipendente dal tempo di EGaIn su una superficie Cu/PDMS con colonne di diverse dimensioni dopo l'esposizione al vapore di HCl.b – e Viste dall'alto e laterali della bagnatura EGaIn.b D = l = 25 µm, r = 1,78.in D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Tutti i perni hanno un'altezza di 25 µm.Queste immagini sono state scattate almeno 15 minuti dopo l'esposizione ai vapori di HCl.Le goccioline su EGaIn sono acqua risultante dalla reazione tra ossido di gallio e vapore di HCl.Tutte le barre della scala in (b – e) sono 2 mm.
Un altro criterio per determinare la probabilità di assorbimento del liquido è il fissaggio del liquido sulla superficie dopo l'applicazione del disegno.Kurbin et al.È stato riferito che quando (1) i montanti sono sufficientemente alti, le goccioline verranno assorbite dalla superficie modellata;(2) la distanza tra le colonne è piuttosto piccola;e (3) l'angolo di contatto del liquido sulla superficie è sufficientemente piccolo42.Numericamente \({\theta}_{0}\) del fluido su un piano contenente lo stesso materiale di substrato deve essere inferiore all'angolo di contatto critico per il bloccaggio, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), per l'assorbimento senza blocco tra i pali, dove \({\theta}_{c,{pin}}={{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (vedere la discussione aggiuntiva per i dettagli).Il valore di \({\theta}_{c,{pin}}\) dipende dalla dimensione del pin (Tabella 1).Determinare il parametro adimensionale L = l/H per giudicare se avviene l'assorbimento.Per l'assorbimento, L deve essere inferiore alla soglia standard, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Per EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) su un substrato di rame \({L}_{c}\) è 5.2.Poiché la colonna L di 200 μm è 8, che è maggiore del valore di \({L}_{c}\), l'assorbimento di EGaIn non si verifica.Per testare ulteriormente l'effetto della geometria, abbiamo osservato l'autoadescamento di vari H e l (Figura 5 supplementare e Tabella supplementare 1).I risultati concordano bene con i nostri calcoli.Pertanto, L risulta essere un efficace predittore dell'assorbimento;il metallo liquido smette di assorbire a causa del bloccaggio quando la distanza tra i pilastri è relativamente grande rispetto all'altezza dei pilastri.
La bagnabilità può essere determinata in base alla composizione superficiale del substrato.Abbiamo studiato l'effetto della composizione superficiale sulla bagnatura e sull'assorbimento di EGaIn co-depositando Si e Cu su pilastri e piani (Figura 6 supplementare).L'angolo di contatto dell'EGaIn diminuisce da ~160° a ~80° quando la superficie binaria Si/Cu aumenta dallo 0 al 75% con un contenuto di rame piatto.Per una superficie composta da 75% Cu e 25% Si, \({\theta}_{0}\) è ~80°, che corrisponde a \({L}_{c}\) pari a 0,43 secondo la definizione sopra riportata .Poiché le colonne l = H = 25 μm con L pari a 1 maggiore della soglia \({L}_{c}\), la superficie 75% Cu/25% Si dopo la modellazione non assorbe a causa dell'immobilizzazione.Poiché l'angolo di contatto di EGaIn aumenta con l'aggiunta di Si, è necessario un H maggiore o un l inferiore per superare il bloccaggio e l'impregnazione.Pertanto, poiché l'angolo di contatto (cioè \({\theta}_{0}\)) dipende dalla composizione chimica della superficie, può anche determinare se l'imbibizione avviene nella microstruttura.
L'assorbimento di EGaIn su rame/PDMS modellato può bagnare il metallo liquido in schemi utili.Per valutare il numero minimo di linee di colonna che causano l'imbibizione, le proprietà bagnanti di EGaIn sono state osservate su Cu/PDMS con linee post-modello contenenti diversi numeri di linee di colonna da 1 a 101 (Fig. 3).La bagnatura avviene principalmente nella regione post-modellazione.Il drenaggio EGaIn è stato osservato in modo affidabile e la lunghezza del drenaggio aumentava con il numero di file di colonne.L'assorbimento non avviene quasi mai quando ci sono post con due o meno righe.Ciò potrebbe essere dovuto all'aumento della pressione capillare.Affinché l'assorbimento avvenga secondo uno schema colonnare, è necessario superare la pressione capillare causata dalla curvatura della testa EGaIn (Figura 7 supplementare).Supponendo un raggio di curvatura di 12,5 µm per una testa EGaIn a fila singola con uno schema colonnare, la pressione capillare è di ~ 0,98 atm (~ 740 Torr).Questa elevata pressione di Laplace può prevenire la bagnatura causata dall'assorbimento di EGaIn.Inoltre, un numero inferiore di file di colonne può ridurre la forza di assorbimento dovuta all'azione capillare tra EGaIn e le colonne.
a Gocce di EGaIn su Cu/PDMS strutturato con modelli di diverse larghezze (w) nell'aria (prima dell'esposizione ai vapori di HCl).File di rack a partire dall'alto: 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) e 11 (w = 525 µm).b Bagnatura direzionale di EGaIn su (a) dopo l'esposizione al vapore di HCl per 10 minuti.c, d Bagnatura di EGaIn su Cu/PDMS con strutture colonnari (c) due file (w = 75 µm) e (d) una riga (w = 25 µm).Queste immagini sono state scattate 10 minuti dopo l'esposizione ai vapori di HCl.Le barre della scala su (a, b) e (c, d) sono rispettivamente 5 mm e 200 µm.Le frecce in (c) indicano la curvatura della testa EGaIn dovuta all'assorbimento.
L'assorbimento di EGaIn nel Cu/PDMS post-modellato consente la formazione di EGaIn mediante bagnatura selettiva (Fig. 4).Quando una goccia di EGaIn viene posizionata su un'area modellata ed esposta ai vapori di HCl, la goccia di EGaIn collassa per prima, formando un piccolo angolo di contatto mentre l'acido rimuove le incrostazioni.Successivamente l'assorbimento inizia dal bordo della goccia.La modellazione di un'ampia area può essere ottenuta da EGaIn su scala centimetrica (Fig. 4a, c).Poiché l'assorbimento avviene solo sulla superficie topografica, l'EGaIn bagna solo l'area del modello e quasi smette di bagnarsi quando raggiunge una superficie piana.Di conseguenza, si osservano confini netti dei modelli EGaIn (Fig. 4d, e).Nella fig.4b mostra come l'EGaIn invade la regione non strutturata, in particolare intorno al punto in cui era originariamente posizionata la gocciolina di EGaIn.Questo perché il diametro più piccolo delle goccioline EGaIn utilizzate in questo studio superava la larghezza delle lettere modellate.Gocce di EGaIn sono state posizionate sul sito del pattern mediante iniezione manuale attraverso un ago e una siringa da 27-G, ottenendo gocce con una dimensione minima di 1 mm.Questo problema può essere risolto utilizzando goccioline EGaIn più piccole.Nel complesso, la Figura 4 dimostra che la bagnatura spontanea di EGaIn può essere indotta e diretta su superfici microstrutturate.Rispetto al lavoro precedente, questo processo di bagnatura è relativamente veloce e non è necessaria alcuna forza esterna per ottenere una bagnatura completa (Tabella supplementare 2).
emblema dell'università, la lettera b, c sotto forma di fulmine.La regione assorbente è ricoperta da una serie di colonne con D = l = 25 µm.d, immagini ingrandite delle nervature in e (c).Le barre della scala su (a–c) e (d, e) sono rispettivamente 5 mm e 500 µm.Su (c – e), piccole goccioline sulla superficie dopo l'adsorbimento si trasformano in acqua a seguito della reazione tra ossido di gallio e vapore di HCl.Non è stato osservato alcun effetto significativo della formazione di acqua sulla bagnatura.L'acqua viene facilmente rimossa attraverso un semplice processo di asciugatura.
A causa della natura liquida dell'EGaIn, il Cu/PDMS rivestito con EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) può essere utilizzato per elettrodi flessibili ed estensibili.La Figura 5a confronta le variazioni di resistenza di Cu/PDMS originale e EGaIn/Cu/PDMS sotto carichi diversi.La resistenza di Cu/PDMS aumenta notevolmente in tensione, mentre la resistenza di EGaIn/Cu/PDMS rimane bassa in tensione.Nella fig.5b ed mostrano immagini SEM e corrispondenti dati EMF di Cu/PDMS grezzo e EGaIn/Cu/PDMS prima e dopo l'applicazione della tensione.Per Cu/PDMS intatto, la deformazione può causare crepe nella pellicola dura di Cu depositata sul PDMS a causa del disadattamento dell'elasticità.Al contrario, per EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn riveste ancora bene il substrato Cu/PDMS e mantiene la continuità elettrica senza crepe o deformazioni significative anche dopo l'applicazione della deformazione.I dati EDS hanno confermato che il gallio e l'indio dell'EGaIn erano distribuiti uniformemente sul substrato Cu/PDMS.È interessante notare che lo spessore del film EGaIn è lo stesso e paragonabile all'altezza dei pilastri. Ciò è confermato anche da un'ulteriore analisi topografica, dove la differenza relativa tra lo spessore del film EGaIn e l'altezza del palo è <10% (Figura 8 supplementare e Tabella 3). Ciò è confermato anche da un'ulteriore analisi topografica, dove la differenza relativa tra lo spessore del film EGaIn e l'altezza del palo è <10% (Figura 8 supplementare e Tabella 3). Anche questo consente l'analisi topografica dell'utente che utilizza i pannelli EGa In tutto il piatto rimane <10% (rischio aggiuntivo 8 e tabella 3). Ciò è confermato anche da un'ulteriore analisi topografica, in cui la differenza relativa tra lo spessore del film EGaIn e l'altezza della colonna è <10% (Figura 8 supplementare e Tabella 3).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的相对差异<10%（补充图8 e 3）. <10% Anche questo è stato un vantaggio per l'analisi topografica, ma è stato rilevato un metodo di analisi topografica ки EGaIn e высотой столба составляла <10% (дополнительный рис. 8 e таблица 3). Ciò è stato confermato anche da un'ulteriore analisi topografica, in cui la differenza relativa tra lo spessore del film EGaIn e l'altezza della colonna era <10% (Figura 8 supplementare e Tabella 3).Questa bagnatura basata sull'imbibizione consente di controllare bene lo spessore dei rivestimenti EGaIn e di mantenerli stabili su ampie aree, cosa che altrimenti risulterebbe impegnativa a causa della sua natura liquida.Le figure 5c ed e confrontano la conduttività e la resistenza alla deformazione del Cu/PDMS originale e dell'EGaIn/Cu/PDMS.Nella demo, il LED si accendeva quando veniva collegato a elettrodi Cu/PDMS o EGaIn/Cu/PDMS non toccati.Quando il Cu/PDMS intatto viene allungato, il LED si spegne.Tuttavia, gli elettrodi EGaIn/Cu/PDMS sono rimasti collegati elettricamente anche sotto carico e la luce LED si è attenuata solo leggermente a causa della maggiore resistenza degli elettrodi.
a La resistenza normalizzata cambia con l'aumento del carico su Cu/PDMS e EGaIn/Cu/PDMS.b, d Immagini SEM e analisi di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) prima (in alto) e dopo (in basso) i polidiplex caricati in (b) Cu/PDMS e (d) EGaIn/Cu/metilsilossano.LED c, e collegati a (c) Cu/PDMS e (e) EGaIn/Cu/PDMS prima (in alto) e dopo (in basso) lo stretching (~ 30% di stress).La barra della scala in (b) e (d) è 50 µm.
Nella fig.6a mostra la resistenza di EGaIn/Cu/PDMS in funzione della deformazione dallo 0% al 70%.L'aumento e il recupero della resistenza è proporzionale alla deformazione, il che è in buon accordo con la legge di Pouillet per i materiali incomprimibili (R/R0 = (1 + ε)2), dove R è la resistenza, R0 è la resistenza iniziale, ε è la deformazione 43. Altri studi hanno dimostrato che quando vengono allungate, le particelle solide in un mezzo liquido possono riorganizzarsi e distribuirsi in modo più uniforme con una migliore coesione, riducendo così l'aumento della resistenza 43, 44. In questo lavoro, tuttavia, il conduttore è >99% di metallo liquido in volume poiché le pellicole di Cu hanno uno spessore di soli 100 nm. In questo lavoro, tuttavia, il conduttore è >99% di metallo liquido in volume poiché le pellicole di Cu hanno uno spessore di soli 100 nm. Il valore di questo lavoro dimostrato è superiore al 99% del metallo in eccesso, così come le piastre Cu pesano circa 100 м. Tuttavia, in questo lavoro, il conduttore è costituito da >99% di metallo liquido in volume, poiché le pellicole di Cu hanno uno spessore di soli 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% 的液态金属（按体积计）.然而,在这项工作中,由于Cu 薄膜只有100 nm 厚,因此导体是>99%Tuttavia, in questo lavoro, poiché il film di Cu ha uno spessore di soli 100 nm, il conduttore è costituito per oltre il 99% da metallo liquido (in volume).Pertanto, non ci aspettiamo che il Cu dia un contributo significativo alle proprietà elettromeccaniche dei conduttori.
a Variazione normalizzata della resistenza a EGaIn/Cu/PDMS rispetto alla deformazione nell'intervallo 0–70%.Lo stress massimo raggiunto prima del fallimento del PDMS era del 70% (Figura 9 supplementare).I punti rossi sono valori teorici previsti dalla legge di Puet.b Test di stabilità della conduttività EGaIn/Cu/PDMS durante ripetuti cicli di allungamento.Nel test ciclico è stato utilizzato un ceppo al 30%.La barra della scala sul riquadro è 0,5 cm.L è la lunghezza iniziale di EGaIn/Cu/PDMS prima dello stiramento.
Il fattore di misurazione (GF) esprime la sensibilità del sensore ed è definito come il rapporto tra la variazione della resistenza e la variazione della deformazione45.Il GF è aumentato da 1,7 al 10% di deformazione a 2,6 al 70% di deformazione a causa del cambiamento geometrico del metallo.Rispetto ad altri estensimetri, il valore GF EGaIn/Cu/PDMS è moderato.Come sensore, anche se il suo GF potrebbe non essere particolarmente elevato, l'EGaIn/Cu/PDMS mostra una forte variazione di resistenza in risposta a un carico con basso rapporto segnale/rumore.Per valutare la stabilità della conduttività di EGaIn/Cu/PDMS, la resistenza elettrica è stata monitorata durante ripetuti cicli di allungamento con una deformazione del 30%.Come mostrato in fig.6b, dopo 4000 cicli di stiramento, il valore di resistenza è rimasto entro il 10%, il che potrebbe essere dovuto alla continua formazione di incrostazioni durante ripetuti cicli di stiramento46.Pertanto, sono state confermate la stabilità elettrica a lungo termine di EGaIn/Cu/PDMS come elettrodo estensibile e l'affidabilità del segnale come estensimetro.
In questo articolo discutiamo delle proprietà bagnanti migliorate del GaLM su superfici metalliche microstrutturate causate dall'infiltrazione.La bagnatura completa spontanea di EGaIn è stata ottenuta su superfici metalliche colonnari e piramidali in presenza di vapori di HCl.Ciò può essere spiegato numericamente sulla base del modello Wenzel e del processo di assorbimento, che mostra la dimensione della post-microstruttura richiesta per la bagnatura indotta dall'assorbimento.La bagnatura spontanea e selettiva di EGaIn, guidata da una superficie metallica microstrutturata, consente di applicare rivestimenti uniformi su ampie aree e formare modelli di metallo liquido.I substrati Cu/PDMS rivestiti con EGaIn mantengono le connessioni elettriche anche quando allungati e dopo ripetuti cicli di allungamento, come confermato da misurazioni SEM, EDS e resistenza elettrica.Inoltre, la resistenza elettrica del Cu/PDMS rivestito con EGaIn cambia in modo reversibile e affidabile in proporzione alla deformazione applicata, indicando la sua potenziale applicazione come sensore di deformazione.I possibili vantaggi forniti dal principio di bagnatura del metallo liquido causato dall'imbibizione sono i seguenti: (1) il rivestimento e la modellatura GaLM possono essere ottenuti senza forza esterna;(2) La bagnatura del GaLM sulla superficie della microstruttura rivestita in rame è termodinamica.il film GaLM risultante è stabile anche sotto deformazione;(3) modificando l'altezza della colonna rivestita di rame è possibile formare una pellicola GaLM con spessore controllato.Inoltre, questo approccio riduce la quantità di GaLM necessaria per formare la pellicola, poiché i pilastri occupano parte della pellicola.Ad esempio, quando viene introdotta una serie di pilastri con un diametro di 200 μm (con una distanza tra i pilastri di 25 μm), il volume di GaLM richiesto per la formazione del film (~9 μm3/μm2) è paragonabile al volume del film senza pilastri.(25 µm3/μm2).In questo caso però bisogna tenere conto che anche la resistenza teorica, stimata secondo la legge di Puet, aumenta di nove volte.Nel complesso, le proprietà bagnanti uniche dei metalli liquidi discusse in questo articolo offrono un modo efficiente per depositare metalli liquidi su una varietà di substrati per l'elettronica estensibile e altre applicazioni emergenti.
I substrati PDMS sono stati preparati miscelando la matrice Sylgard 184 (Dow Corning, USA) e l'indurente in rapporti di 10:1 e 15:1 per prove di trazione, seguite da polimerizzazione in forno a 60°C.Rame o silicio sono stati depositati su wafer di silicio (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Repubblica di Corea) e substrati PDMS con uno strato adesivo in titanio spesso 10 nm utilizzando un sistema di sputtering personalizzato.Le strutture colonnari e piramidali vengono depositate su un substrato PDMS utilizzando un processo fotolitografico su wafer di silicio.La larghezza e l'altezza dello schema piramidale sono rispettivamente 25 e 18 µm.L'altezza del modello di barra era fissata a 25 µm, 10 µm e 1 µm, e il suo diametro e passo variavano da 25 a 200 µm.
L'angolo di contatto di EGaIn (gallio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Repubblica di Corea) è stato misurato utilizzando un analizzatore a forma di goccia (DSA100S, KRUSS, Germania). L'angolo di contatto di EGaIn (gallio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Repubblica di Corea) è stato misurato utilizzando un analizzatore a forma di goccia (DSA100S, KRUSS, Germania). Краевой угол EGaIn (galliй 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Repubblica coreana) analizzato tramite l'analisi del titolo атора (DSA100S, KRUSS, Germania). L'angolo del bordo di EGaIn (gallio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Repubblica di Corea) è stato misurato utilizzando un analizzatore di gocce (DSA100S, KRUSS, Germania). 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仪（DSA100S,KRUSS,德国）测量. EGaIn (gallio75,5%/indio24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) è stato misurato utilizzando un analizzatore di contatto (DSA100S, KRUSS, Germania). Краевой угол EGaIn (galliй 75,5%/Indian 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Repubblica coreana) analizzato tramite modulo di analisi e (DSA100S, KRUSS, Germania). L'angolo del bordo di EGaIn (gallio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Repubblica di Corea) è stato misurato utilizzando un analizzatore a cappuccio di forma (DSA100S, KRUSS, Germania).Posizionare il substrato in una camera di vetro da 5 cm × 5 cm × 5 cm e posizionare una goccia di 4-5 μl di EGaIn sul substrato utilizzando una siringa da 0,5 mm di diametro.Per creare un mezzo di vapore HCl, 20 μL di soluzione di HCl (37% in peso, Samchun Chemicals, Repubblica di Corea) sono stati posizionati accanto al substrato, che è stato fatto evaporare abbastanza da riempire la camera entro 10 s.
La superficie è stata ripresa utilizzando SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Repubblica di Corea).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Repubblica di Corea) è stato utilizzato per studiare l'analisi qualitativa e la distribuzione degli elementi.La topografia superficiale EGaIn/Cu/PDMS è stata analizzata utilizzando un profilometro ottico (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
Per studiare il cambiamento nella conduttività elettrica durante i cicli di stiramento, i campioni con e senza EGaIn sono stati fissati sull'apparecchiatura di stiramento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Repubblica di Corea) e collegati elettricamente a un misuratore di sorgente Keithley 2400. Per studiare il cambiamento nella conduttività elettrica durante i cicli di stiramento, i campioni con e senza EGaIn sono stati fissati sull'apparecchiatura di stiramento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Repubblica di Corea) e collegati elettricamente a un misuratore di sorgente Keithley 2400. Per l'installazione di componenti elettronici durante il ciclo di lavoro con EGaIn e senza chiusura dell'apparecchio Lavorazioni per la lavorazione (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Repubblica Coreana) e dispositivi elettrici per l'elettronica Keithley 2400. Per studiare il cambiamento nella conduttività elettrica durante i cicli di stiramento, i campioni con e senza EGaIn sono stati montati su un'apparecchiatura di stiramento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Repubblica di Corea) e collegati elettricamente a un misuratore di sorgente Keithley 2400.Per studiare il cambiamento nella conduttività elettrica durante i cicli di stiramento, i campioni con e senza EGaIn sono stati montati su un dispositivo di stiramento (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Repubblica di Corea) e collegati elettricamente a un Keithley 2400 SourceMeter.Misura la variazione della resistenza nell'intervallo dallo 0% al 70% della deformazione del campione.Per il test di stabilità, la variazione di resistenza è stata misurata su 4000 cicli di deformazione al 30%.
Per ulteriori informazioni sulla progettazione dello studio, consultare l'abstract dello studio Nature collegato a questo articolo.
I dati a supporto dei risultati di questo studio sono presentati nei file Informazioni supplementari e Dati grezzi.Questo articolo fornisce i dati originali.
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Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributi, fabbricazione e applicazioni di particelle di metallo liquido a base di gallio. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributi, fabbricazione e applicazioni di particelle di metallo liquido a base di gallio.Lin, Y., Genzer, J. e Dickey, MD Proprietà, fabbricazione e applicazione di particelle di metallo liquido a base di gallio. 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. e Dickey, MD Proprietà, fabbricazione e applicazione di particelle di metallo liquido a base di gallio.Scienza avanzata.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Verso circuiti di materia soffice: prototipi di dispositivi quasi liquidi con caratteristiche di memristore. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Verso circuiti interamente di materia soffice: prototipi di dispositivi quasi liquidi con caratteristiche di memristor.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD e Velev, OD A circuiti composti interamente da materia soffice: prototipi di dispositivi quasi liquidi con caratteristiche di memristor. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD e Velev, OD Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD e Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD e Velev, OD Verso i circuiti tutta la materia morbida: prototipi di dispositivi quasi fluidi con proprietà memristor.Alma mater avanzata.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Interruttori in metallo liquido per dispositivi elettronici sensibili all'ambiente. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Interruttori in metallo liquido per dispositivi elettronici sensibili all'ambiente.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Interruttori in metallo liquido per componenti elettronici rispettosi dell'ambiente. 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 Interruttori in metallo liquido per componenti elettronici rispettosi dell'ambiente.Alma mater avanzata.Interfaccia 4, 1600913 (2017).
Quindi, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rettifica della corrente ionica in diodi a materia soffice con elettrodi di metallo liquido. Quindi, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rettifica della corrente ionica in diodi a materia soffice con elettrodi di metallo liquido. Così, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ионное выпрямление тока в диодах из мягкого магкого атериалектродами из жидкого metal. Pertanto, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Raddrizzamento della corrente ionica in diodi di materiale morbido con elettrodi di metallo liquido. Quindi, JH, Koo, HJ, Dickey, MD e Velev, OD hanno deciso di farlo. Allora, JH, Koo, HJ, Dickey, MD e Velev, OD Così, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Jonnoe ha fornito tutto ciò che riguarda i diodi dal mio materiale con componenti elettronici. Pertanto, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Raddrizzamento della corrente ionica in diodi di materiale morbido con elettrodi di metallo liquido.Funzionalità estese.alma mater.22, 625–631 (2012).
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