《Mater. Horiz.》浙江大學姚鑫驊/賀永：可回收的導電納米粘土，直接原位打印水凝膠柔性電子產品

非金非土非木

關注 2021年5月10日 13:54

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【科研摘要】

基于液態(tài)金屬（ LM）的柔性和可拉伸電子產品在可穿戴健康監(jiān)控，電子皮膚和軟機器人方面引起了廣泛的關注。然而，由于它們的巨大的表面張力和弱的可濕性，直接在柔軟的基板上對LM進行構圖以形成期望的功能電路是具有挑戰(zhàn)性的。 最近 ， 浙江大學 姚鑫驊博士 / 賀永教授 團隊 通過將納米粘土引入到LM系統(tǒng)中來制備可回收，自修復的導電納米粘土，該納米粘土具有低流動性和對軟質基材的優(yōu)異粘合性，并且與壓印工藝結合使用，可以直接在原位快速 打印水凝膠 柔性電子產品。

導電納米粘土具有出色的導電性，對變形的顯著電響應，極低的電滯后性和出色的減損能力，使其成為快速制造柔性電子產品的理想直接 打印油墨。 由于獨特的結構組成，導電納米粘土可在真空中生長并保持出色的導電性，基于此，無需復雜的結構設計即可制造可在極端環(huán)境（例如外部空間）中使用的真空接通開關。此外，將具有優(yōu)異皮膚貼合性的電子紋身直接印在手腕上，可用于監(jiān)視手腕在兩個不同彎曲方向上的運動。相關論文以題為 Recyclable conductive nanoclay for direct in situ printing flexible electronics 發(fā)表在《 Materials Horizons 》上。

【主圖導讀】

圖 1導電納米粘土的制備過程和附著機理 （A）在攪拌下制備導電納米粘土的過程的示意圖。（B）導電納米粘土的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（C）附著在基板上的導電納米粘土的示意圖。（D）導電納米粘土對不同軟質基材的粘合機理：（I）硅酮彈性體和（II）水凝膠。（E）基于導電納米粘土的 打印 柔性電子過程的程序示意圖。在高精度電路（F），減輕損害的電路（G）和電子紋身（H）中的潛在應用。

圖 2.微電路的表面形態(tài)表征和導電納米粘土的可回收性。 （A）基于導電納米粘土的微電路的光學圖像（I），光學顯微鏡圖像（II）和SEM圖像（III）。比例尺分別為5 mm，100μm和20μm。（B）導電納米粘土的橫截面SEM圖像（I）和EDS映射（II）。比例尺為20μm。（C）在不同時刻在2 M HCl溶液中進行導電納米粘土回收過程的光學圖像。（D）在除去廢液之后從導電納米粘土回收的液態(tài)金屬的光學圖像。

圖 3導電納米粘土的電性能。 （A）歸一化電阻作為加載/卸載操作期間應變的函數(shù)。（B）不同應變下的負載-卸載操作的電滯后系數(shù)。（C）在0.0125、0.025、0.05和0.1 Hz的頻率下，在40％的應變下的五個加載/卸載循環(huán)下的標準化電阻變化。（D）在不同應變狀態(tài)下保持30 s時，具有出色的電阻穩(wěn)定性。（E）（I）在600％應變的600次加載/卸載循環(huán)中，應變傳感器的性能，顯示出其可靠性和耐用性。（II）是（I）的局部放大圖，顯示了最近四個加載-卸載循環(huán)的電阻和歸一化電阻變化。

圖 4導電納米粘土的自修復性能及其對機械破壞的耐久性。 （A）導電納米粘土結構組成的SEM圖像。（B）硅酮彈性體基板上的電路的自修復過程：（I）初始電路，（II）用刀切割的電路，以及（III）重新放置后電路破壞自修復。（C）基于導電納米粘土的電路的自愈機制。（D）使用與基材相同的有機硅彈性體的修復電路仍然具有良好的拉伸性能：（I）初始狀態(tài)，（II）拉伸狀態(tài)，以及（III）與初始電路的拉伸性能比較。（E）（I）比較初始電路和損傷修復電路對應變的敏感性，以及（II）（III）損傷修復電路在200個拉伸釋放 循環(huán)中的性能。在此，最大拉伸應變?yōu)?/span> 40％。（F）（I）光學圖像顯示了導電納米粘土在嚴重損壞下的可靠性，以及（II）每次打孔后的電阻變化。

圖 5導電納米粘土的真空生長性能及其在開關中的應用 （A）導電納米粘土表面形態(tài)的光學圖像（I）和SEM圖像（II）。（B）在真空環(huán)境中3小時后，生長的導電納米粘土表面形態(tài)的光學圖像（I）和SEM圖像（II）。（C）導電納米粘土內部結構的示意圖。（D）在真空過程中具有不同組成比的導電納米粘土的歸一化電阻的變化。（E）（I）由真空導通開關控制的邏輯電路的電路圖，顯示“ ZJU”的模式，（II）真空導通開關的工作機制，以及（Z）的（III）-（VI）順序圖像 邏輯電路。

圖 6使用導電納米粘土原位 打印 電子紋身。 （A）原位 打印 電子紋身的程序示意圖：（I）在皮膚上施加GelMA （明膠水凝膠） ，（II）使用紫外線固化GelMA，以及（III）直接印模 打印 導電納米粘土基圖案。（B）（I）和（II）電子紋身的光學圖像，以及（III）作為功能電路的應用。（C）（I）作為腕部傳感器的電子紋身的光學圖像，以及（II）腕部彎曲到兩個不同方向的應變傳感器的標準化電阻隨時間的變化。

參考文獻 ： doi.org/10.1039/D0MH02065F

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