最近(jin)，哈爾濱工業(ye)大學(xue)化(hua)(hua)工與(yu)化(hua)(hua)學(xue)學(xue)院齊殿鵬教授(shou)團隊的綜述文章“From liquid metal to stretchable electronics:Overcoming the surface tension”在Science China Materials(SCMs)期刊在線(xian)發表，總結了(le)近(jin)年(nian)來通過克服表面張力使液態金屬可(ke)拉伸電子器(qi)件(jian)化(hua)(hua)的研究進展(zhan)。

液態金(jin)(jin)(jin)屬（LMs）是(shi)在室溫(wen)下同(tong)(tong)(tong)時(shi)具備金(jin)(jin)(jin)屬導電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)以及(ji)(ji)液體延(yan)(yan)展性(xing)(xing)(xing)的(de)金(jin)(jin)(jin)屬。不同(tong)(tong)(tong)于廣(guang)為人(ren)知的(de)金(jin)(jin)(jin)屬汞，鎵(jia)及(ji)(ji)其(qi)(qi)合(he)金(jin)(jin)(jin)因其(qi)(qi)低(di)毒性(xing)(xing)(xing)和超低(di)蒸汽壓而(er)(er)具備在可(ke)拉(la)伸電(dian)(dian)(dian)子(zi)領域(yu)被廣(guang)泛應用的(de)潛力。可(ke)拉(la)伸電(dian)(dian)(dian)子(zi)器件(jian)(jian)是(shi)指在被拉(la)長的(de)條件(jian)(jian)下保持其(qi)(qi)功能的(de)電(dian)(dian)(dian)路和電(dian)(dian)(dian)子(zi)元件(jian)(jian)，這種器件(jian)(jian)在許多現有芯(xin)片技(ji)術無法實現的(de)系統中大(da)放異彩，并且(qie)可(ke)以彌補傳(chuan)統電(dian)(dian)(dian)子(zi)設備的(de)不足，例如輔助和替代傳(chuan)統的(de)生理檢測系統等。這類器件(jian)(jian)同(tong)(tong)(tong)時(shi)對材料的(de)高(gao)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)和高(gao)延(yan)(yan)展性(xing)(xing)(xing)提出了要求，而(er)(er)液態金(jin)(jin)(jin)屬十分(fen)契合(he)這兩個重要特性(xing)(xing)(xing)。然而(er)(er)，在使(shi)液態金(jin)(jin)(jin)屬可(ke)拉(la)伸電(dian)(dian)(dian)子(zi)器件(jian)(jian)化的(de)過程(cheng)中存在一個天然的(de)阻礙，即液態金(jin)(jin)(jin)屬的(de)高(gao)表面張力（＞600 mN/m）。其(qi)(qi)高(gao)表面張力阻止液態金(jin)(jin)(jin)屬潤濕大(da)多數表面，并支持其(qi)(qi)自發形(xing)成(cheng)球形(xing)液滴(di)的(de)傾向，進而(er)(er)難以形(xing)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)器件(jian)(jian)要求的(de)圖案。

該(gai)文(wen)從克服(fu)液(ye)(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)表面(mian)張力(li)(li)的(de)角度出發，將(jiang)液(ye)(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)的(de)成型(xing)方式(shi)分(fen)為(wei)利用(yong)宏觀機(ji)械力(li)(li)、改(gai)變顆粒尺(chi)寸(cun)、相變及(ji)改(gai)變潤濕特性這四個策略。克服(fu)了表面(mian)張力(li)(li)的(de)阻(zu)礙后(hou)，液(ye)(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)在傳感、能量收(shou)集等方面(mian)有巨大的(de)應用(yong)前(qian)(qian)景。此外，該(gai)文(wen)還討(tao)論(lun)了目(mu)前(qian)(qian)該(gai)領域存在的(de)挑戰和機(ji)遇。

圖1克服液態金屬表面張力的四(si)種策略及其(qi)成型的難(nan)易程度

圖文要點

液態金屬及其氧化層

液態金(jin)屬(shu)在含有微(wei)量(liang)氧(yang)氣的(de)環(huan)境中就會被氧(yang)化，形成0.5–5 nm的(de)自限的(de)氧(yang)化層，獲得保(bao)持非球(qiu)面(mian)形狀的(de)能力(li)。

圖2液態金屬及其(qi)氧化(hua)層的性(xing)質(zhi)

（1）使用宏觀機械力

宏觀機械力(li)在此特指用來限制液態(tai)金(jin)屬(shu)表面張力(li)，使其保(bao)持(chi)非球(qiu)形(xing)狀(zhuang)的(de)力(li)。研究人員通過小直徑的(de)通道將液態(tai)金(jin)屬(shu)擠出或吸收，在氧化層的(de)幫助下形(xing)成(cheng)明顯超過瑞利極限的(de)圓柱體形(xing)狀(zhuang)。

圖(tu)3 3D打(da)印(yin)成(cheng)型液態金屬

圖4半(ban)開放式通道填充(chong)和微通道注(zhu)射法成型液態金屬

（2）減小顆粒尺寸

使用超聲和(he)剪切等自(zi)上而下的(de)方法將液(ye)態(tai)金屬(shu)從(cong)一個大(da)的(de)液(ye)滴分割(ge)成許多微(wei)米級或納米級的(de)液(ye)滴，并保(bao)證其粒度分布(bu)相對均(jun)勻(yun)。氧(yang)(yang)化層或其他(ta)人工形成的(de)表面修飾(shi)將暫時阻止液(ye)滴的(de)重(zhong)新結合。可(ke)(ke)拉伸電(dian)子(zi)設備的(de)圖案可(ke)(ke)以通過(guo)排列這些液(ye)滴來(lai)繪制，這相當(dang)于通過(guo)減(jian)小粒徑以增加比表面積（增加氧(yang)(yang)化層比例）進而降低表面張力。

圖5減小粒徑使液態金屬成型(xing)

（3）相變

由于液(ye)態金(jin)(jin)屬(shu)的(de)低熔點(dian)（不超過16℃），采取冷凍相變(bian)使(shi)液(ye)態金(jin)(jin)屬(shu)凝固加強了內部分子與表面(mian)分子的(de)結合力(li)(li)，能更徹底(di)地克服液(ye)態金(jin)(jin)屬(shu)的(de)表面(mian)張力(li)(li)。改變(bian)相位作為一種(zhong)輔助(zhu)方法，與使(shi)用機械外力(li)(li)的(de)方法相結合，可有效(xiao)增(zeng)強液(ye)態金(jin)(jin)屬(shu)在成型過程中的(de)穩(wen)定性。

（4）改變潤濕特性

除了(le)某些特定材(cai)(cai)料的表面(mian)（金(jin)、銅(tong)、錫等）可以(yi)潤濕(shi)外，使用施加電壓等方法也可以(yi)改變液態金(jin)屬的潤濕(shi)特性，使其在(zai)基材(cai)(cai)表面(mian)擴(kuo)散，在(zai)此基礎上可以(yi)制造出可拉伸的電子設備。

圖6冷(leng)凍相變及(ji)改變潤濕特(te)性使液態金屬成型

總結和展望

雖然基于液態(tai)金屬的(de)成型技術(shu)及(ji)其(qi)應用(yong)(yong)的(de)研究在過(guo)去十幾年中得到(dao)快速發展，但是在這些電子設備被廣泛應用(yong)(yong)前，仍有一些挑(tiao)戰亟待解決。

首先，液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)(shu)能在可拉伸電(dian)子(zi)(zi)領域得(de)到廣(guang)泛應(ying)用(yong)，很大程(cheng)度上取(qu)決于其(qi)流(liu)體(ti)(ti)(ti)特性(xing)，單純使用(yong)彈性(xing)體(ti)(ti)(ti)封裝液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)(shu)，通常(chang)不(bu)存在泄(xie)漏的(de)(de)風險。盡(jin)管(guan)如此(ci)，在需要(yao)(yao)外(wai)部(bu)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)連接(jie)電(dian)子(zi)(zi)設備(bei)(bei)的(de)(de)電(dian)路中(zhong)，無論是作(zuo)為(wei)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)還是電(dian)子(zi)(zi)設備(bei)(bei)，液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)(shu)被彈性(xing)體(ti)(ti)(ti)覆蓋(gai)的(de)(de)結構都需要(yao)(yao)與(yu)其(qi)他導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)接(jie)觸(chu)。如果用(yong)剛(gang)(gang)性(xing)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)來接(jie)觸(chu)，由(you)于液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)(shu)的(de)(de)流(liu)體(ti)(ti)(ti)性(xing)質，剛(gang)(gang)性(xing)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)需要(yao)(yao)植入彈性(xing)體(ti)(ti)(ti)。彈性(xing)體(ti)(ti)(ti)和剛(gang)(gang)性(xing)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)之間的(de)(de)楊(yang)氏(shi)模量(liang)相(xiang)差幾(ji)個(ge)數量(liang)級，這(zhe)導(dao)(dao)(dao)致在工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)容納剛(gang)(gang)性(xing)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)彈性(xing)體(ti)(ti)(ti)通道被擴大，有(you)泄(xie)露的(de)(de)風險。如果利(li)用(yong)水(shui)凝膠(jiao)等可拉伸導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)作(zuo)為(wei)觸(chu)點，由(you)于其(qi)阻值相(xiang)對較大，設備(bei)(bei)的(de)(de)性(xing)能會有(you)較大損失。因此(ci)，適當的(de)(de)連接(jie)方法(fa)仍(reng)有(you)待開發。

其次，液態(tai)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)在一些特定(ding)材(cai)(cai)料的光滑表面上顯示(shi)出良好(hao)的鋪(pu)(pu)展(zhan)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，如金(jin)(jin)、鋅和銅。良好(hao)的鋪(pu)(pu)展(zhan)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)來(lai)自于(yu)液態(tai)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)對這些材(cai)(cai)料的吸收。液態(tai)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)會(hui)進入(ru)材(cai)(cai)料的晶格(ge)，使(shi)其產生脆性(xing)(xing)(xing)。然(ran)而，在液態(tai)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)吸收這些元素后，其氧化(hua)層的性(xing)(xing)(xing)質是(shi)否(fou)發生變化(hua)，是(shi)否(fou)能(neng)(neng)保持原來(lai)的形狀，仍有待(dai)研究(jiu)。由這些材(cai)(cai)料制成(cheng)的電子器(qi)件的使(shi)用(yong)壽命和穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)也值得關注。 

最(zui)后(hou)，關(guan)于液(ye)態(tai)金屬(shu)內部氧化層的(de)動(dong)力學的(de)許多問題(ti)都值得討論，這將(jiang)實現對氧化層更精確和全面的(de)調控，并大大擴展液(ye)態(tai)金屬(shu)在可(ke)拉伸電子(zi)器件(jian)中的(de)應用。