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Aquí demostramos las propiedades de humectación selectiva, espontánea y inducida por imbibición de aleaciones de metales líquidos a base de galio en superficies metalizadas con características topográficas a microescala.Las aleaciones de metales líquidos a base de galio son materiales sorprendentes con una enorme tensión superficial.Por lo tanto, es difícil darles forma de películas delgadas.La humectación completa de la aleación eutéctica de galio e indio se logró en la superficie de cobre microestructurado en presencia de vapores de HCl, que eliminaron el óxido natural de la aleación de metal líquido.Esta humectación se explica numéricamente basándose en el modelo de Wenzel y el proceso de ósmosis, lo que muestra que el tamaño de la microestructura es fundamental para una humectación eficiente de metales líquidos inducida por ósmosis.Además, demostramos que la humectación espontánea de metales líquidos se puede dirigir selectivamente a lo largo de regiones microestructuradas en una superficie metálica para crear patrones.Este proceso simple recubre y da forma uniforme al metal líquido en grandes áreas sin fuerza externa ni manipulación compleja.Hemos demostrado que los sustratos con patrones de metal líquido conservan las conexiones eléctricas incluso cuando se estiran y después de repetidos ciclos de estiramiento.
Las aleaciones de metales líquidos a base de galio (GaLM) han atraído mucha atención debido a sus atractivas propiedades como bajo punto de fusión, alta conductividad eléctrica, baja viscosidad y fluidez, baja toxicidad y alta deformabilidad1,2.El galio puro tiene un punto de fusión de aproximadamente 30 °C y, cuando se fusiona en composiciones eutécticas con algunos metales como In y Sn, el punto de fusión está por debajo de la temperatura ambiente.Los dos GaLM importantes son la aleación eutéctica de galio indio (EGaIn, 75 % Ga y 25 % In en peso, punto de fusión: 15,5 °C) y la aleación eutéctica de galio indio y estaño (GaInSn o galinstan, 68,5 % Ga, 21,5 % In y 10 % estaño, punto de fusión: ~11 °C)1.2.Debido a su conductividad eléctrica en la fase líquida, los GaLM se están investigando activamente como vías electrónicas de tracción o deformables para una variedad de aplicaciones, incluidos sensores electrónicos3,4,5,6,7,8,9 tensos o curvos 10, 11, 12. , 13, 14 y derivaciones 15, 16, 17. La fabricación de dichos dispositivos mediante deposición, impresión y modelado a partir de GaLM requiere conocimiento y control de las propiedades interfaciales de GaLM y su sustrato subyacente.Los GaLM tienen una alta tensión superficial (624 mNm-1 para EGaIn18,19 y 534 mNm-1 para Galinstan20,21) lo que puede dificultar su manejo o manipulación.La formación de una corteza dura de óxido de galio nativo en la superficie del GaLM en condiciones ambientales proporciona una capa que estabiliza el GaLM en una forma no esférica.Esta propiedad permite imprimir GaLM, implantarlo en microcanales y modelarlo con la estabilidad interfacial lograda por los óxidos19,22,23,24,25,26,27.La capa de óxido duro también permite que GaLM se adhiera a la mayoría de las superficies lisas, pero evita que los metales de baja viscosidad fluyan libremente.La propagación de GaLM en la mayoría de las superficies requiere fuerza para romper la capa de óxido28,29.
Las capas de óxido se pueden eliminar, por ejemplo, con ácidos o bases fuertes.En ausencia de óxidos, GaLM forma gotas en casi todas las superficies debido a su enorme tensión superficial, pero hay excepciones: GaLM moja sustratos metálicos.Ga forma enlaces metálicos con otros metales mediante un proceso conocido como “humectación reactiva”30,31,32.Esta humectación reactiva a menudo se examina en ausencia de óxidos superficiales para facilitar el contacto metal con metal.Sin embargo, incluso con óxidos nativos en GaLM, se ha informado que se forman contactos de metal a metal cuando los óxidos se rompen en los contactos con superficies metálicas lisas29.La humectación reactiva da como resultado ángulos de contacto bajos y una buena humectación de la mayoría de los sustratos metálicos33,34,35.
Hasta la fecha, se han llevado a cabo muchos estudios sobre el uso de las propiedades favorables de la humectación reactiva de GaLM con metales para formar un patrón de GaLM.Por ejemplo, GaLM se ha aplicado a pistas de metal sólido con patrones mediante untado, laminado, rociado o enmascaramiento de sombras34, 35, 36, 37, 38. La humectación selectiva de GaLM sobre metales duros permite que GaLM forme patrones estables y bien definidos.Sin embargo, la alta tensión superficial del GaLM dificulta la formación de películas delgadas muy uniformes incluso sobre sustratos metálicos.Para abordar esta cuestión, Lacour et al.informaron un método para producir películas delgadas de GaLM planas y lisas sobre grandes áreas mediante la evaporación de galio puro sobre sustratos microestructurados recubiertos de oro37,39.Este método requiere deposición al vacío, que es muy lenta.Además, el GaLM generalmente no está permitido para dichos dispositivos debido a su posible fragilización40.La evaporación también deposita el material sobre el sustrato, por lo que se requiere un patrón para crear el patrón.Estamos buscando una manera de crear películas y patrones suaves de GaLM mediante el diseño de características metálicas topográficas que GaLM humedezca de forma espontánea y selectiva en ausencia de óxidos naturales.Aquí informamos la humectación selectiva espontánea de EGaIn libre de óxido (GaLM típico) utilizando el comportamiento de humectación único en sustratos metálicos estructurados fotolitográficamente.Creamos estructuras superficiales definidas fotolitográficamente a nivel micro para estudiar la imbibición, controlando así la humectación de metales líquidos libres de óxido.Las propiedades humectantes mejoradas de EGaIn sobre superficies metálicas microestructuradas se explican mediante análisis numéricos basados ​​en el modelo de Wenzel y el proceso de impregnación.Finalmente, demostramos la deposición y el modelado de áreas grandes de EGaIn mediante autoabsorción, humectación espontánea y selectiva en superficies de deposición de metales microestructurados.Como posibles aplicaciones se presentan electrodos de tracción y galgas extensométricas que incorporan estructuras de EGaIn.
La absorción es un transporte capilar en el que el líquido invade la superficie texturizada 41, lo que facilita la dispersión del líquido.Investigamos el comportamiento de humectación de EGaIn en superficies microestructuradas de metal depositadas en vapor de HCl (Fig. 1).Se eligió cobre como metal para la superficie subyacente. En superficies planas de cobre, EGaIn mostró un ángulo de contacto bajo de <20 ° en presencia de vapor de HCl, debido a la humectación reactiva31 (Figura complementaria 1). En superficies planas de cobre, EGaIn mostró un ángulo de contacto bajo de <20 ° en presencia de vapor de HCl, debido a la humectación reactiva31 (Figura complementaria 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания31 ный рисукон 1). En superficies planas de cobre, EGaIn mostró un ángulo de contacto bajo <20° en presencia de vapor de HCl debido a la humectación reactiva31 (Figura 1 complementaria).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 的低接触角31（补充图1 ）。EGaIn HCl На плоских медных поверхностях EGaIn demosnstriruet низкие краевые углы <20 ° in присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания (дополни тельный рисукон 1). En superficies planas de cobre, EGaIn exhibe ángulos de contacto bajos <20° en presencia de vapor de HCl debido a la humectación reactiva (Figura 1 complementaria).Medimos los ángulos de contacto estrechos de EGaIn sobre cobre a granel y sobre películas de cobre depositadas sobre polidimetilsiloxano (PDMS).
a Microestructuras columnares (D (diámetro) = l (distancia) = 25 µm, d (distancia entre columnas) = ​​50 µm, H (altura) = 25 µm) y piramidales (ancho = 25 µm, altura = 18 µm) sobre Cu /Sustratos PDMS.b Cambios dependientes del tiempo en el ángulo de contacto en sustratos planos (sin microestructuras) y conjuntos de pilares y pirámides que contienen PDMS recubiertos de cobre.c, d Registro de intervalos de (c) vista lateral y (d) vista superior de EGaIn humedeciendo la superficie con pilares en presencia de vapor de HCl.
Para evaluar el efecto de la topografía sobre la humectación, se prepararon sustratos de PDMS con un patrón columnar y piramidal, sobre los cuales se depositó cobre con una capa adhesiva de titanio (Fig. 1a).Se demostró que la superficie microestructurada del sustrato PDMS estaba recubierta conformemente con cobre (Figura complementaria 2).Los ángulos de contacto dependientes del tiempo de EGaIn en PDMS (Cu/PDMS) pulverizados con cobre planar y modelado se muestran en las Figs.1b.El ángulo de contacto de EGaIn en cobre estampado/PDMS cae a 0° en ~1 min.La humectación mejorada de las microestructuras de EGaIn puede explotarse mediante la ecuación de Wenzel\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), donde \({\theta}_{{rough}}\) representa el ángulo de contacto de la superficie rugosa, \ (r \) Rugosidad de la superficie (= área real/área aparente) y ángulo de contacto en el plano \({\theta}_{0}\).Los resultados de la humectación mejorada de EGaIn en las superficies estampadas concuerdan bien con el modelo de Wenzel, ya que los valores de r para las superficies estampadas posterior y piramidal son 1,78 y 1,73, respectivamente.Esto también significa que una gota de EGaIn situada sobre una superficie estampada penetrará en las ranuras del relieve subyacente.Es importante tener en cuenta que en este caso se forman películas planas muy uniformes, a diferencia del caso con EGaIn en superficies no estructuradas (Figura complementaria 1).
De la fig.1c,d (Película complementaria 1) se puede ver que después de 30 s, a medida que el ángulo de contacto aparente se acerca a 0°, EGaIn comienza a difundirse más lejos del borde de la gota, lo cual es causado por la absorción (Película complementaria 2 y Suplementaria Fig. 3).Estudios previos de superficies planas han asociado la escala de tiempo de la humectación reactiva con la transición de la humectación inercial a la viscosa.El tamaño del terreno es uno de los factores clave para determinar si se produce el autocebado.Al comparar la energía superficial antes y después de la imbibición desde un punto de vista termodinámico, se derivó el ángulo de contacto crítico \({\theta}_{c}\) de la imbibición (consulte la Discusión complementaria para más detalles).El resultado \({\theta}_{c}\) se define como \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) donde \({\phi}_{s}\) representa el área fraccionaria en la parte superior de la publicación y \(r\ ) representa la rugosidad de la superficie. La imbibición puede ocurrir cuando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), es decir, el ángulo de contacto en una superficie plana. La imbibición puede ocurrir cuando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), es decir, el ángulo de contacto en una superficie plana. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. La absorción puede ocurrir cuando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), es decir, el ángulo de contacto sobre una superficie plana.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。 Всасывание происходит, когда \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактный угол на плоскости. La succión ocurre cuando \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), ángulo de contacto en el plano.Para superficies post-modeladas, \(r\) y ​​\({\phi}_{s}\) se calculan como \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) y \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), donde \(R\) representa el radio de la columna, \(H\) representa la altura de la columna y \ ( d\) es la distancia entre los centros de dos pilares (Fig. 1a).Para la superficie postestructurada de la fig.1a, el ángulo \({\theta}_{c}\) es de 60°, que es mayor que el plano \({\theta}_{0}\) (~25°) en vapor de HCl EGaIn libre de óxido en Cu/PDMS.Por lo tanto, las gotas de EGaIn pueden invadir fácilmente la superficie estructurada de deposición de cobre en la Fig. 1a debido a la absorción.
Para investigar el efecto del tamaño topográfico del patrón sobre la humectación y absorción de EGaIn, variamos el tamaño de los pilares recubiertos de cobre.En la fig.2 muestra los ángulos de contacto y la absorción de EGaIn en estos sustratos.La distancia l entre las columnas es igual al diámetro de las columnas D y oscila entre 25 y 200 µm.La altura de 25 µm es constante para todas las columnas.\({\theta}_{c}\) disminuye al aumentar el tamaño de la columna (Tabla 1), lo que significa que la absorción es menos probable en sustratos con columnas más grandes.Para todos los tamaños probados, \({\theta}_{c}\) es mayor que \({\theta}_{0}\) y se espera absorción.Sin embargo, la absorción rara vez se observa en superficies post-modeladas con ly D 200 µm (Fig. 2e).
a Ángulo de contacto de EGaIn dependiente del tiempo sobre una superficie de Cu/PDMS con columnas de diferentes tamaños después de la exposición al vapor de HCl.b – e Vistas superior y lateral de la humectación de EGaIn.bD = l = 25 µm, r = 1,78.en D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Todos los postes tienen una altura de 25 µm.Estas imágenes fueron tomadas al menos 15 minutos después de la exposición al vapor de HCl.Las gotas de EGaIn son agua resultante de la reacción entre el óxido de galio y el vapor de HCl.Todas las barras de escala en (b – e) son de 2 mm.
Otro criterio para determinar la probabilidad de absorción de líquido es la fijación del líquido en la superficie después de aplicar el patrón.Kurbin et al.Se ha informado que cuando (1) los postes son lo suficientemente altos, la superficie estampada absorberá las gotas;(2) la distancia entre las columnas es bastante pequeña;y (3) el ángulo de contacto del líquido sobre la superficie es suficientemente pequeño42.Numéricamente \({\theta}_{0}\) del fluido en un plano que contiene el mismo material de sustrato debe ser menor que el ángulo de contacto crítico para la fijación, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), para absorción sin fijación entre publicaciones, donde \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (consulte la discusión adicional para obtener más detalles).El valor de \({\theta}_{c,{pin}}\) depende del tamaño del pin (Tabla 1).Determine el parámetro adimensional L = l/H para juzgar si se produce la absorción.Para la absorción, L debe ser menor que el umbral estándar, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } {\ theta}_{{0}}\large\}\).Para EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) sobre un sustrato de cobre \({L}_{c}\) es 5,2.Dado que la columna L de 200 μm es 8, que es mayor que el valor de \({L}_{c}\), no se produce absorción de EGaIn.Para probar más a fondo el efecto de la geometría, observamos el autocebado de varios H y l (Figura complementaria 5 y Tabla complementaria 1).Los resultados concuerdan bien con nuestros cálculos.Por tanto, L resulta ser un predictor eficaz de la absorción;El metal líquido deja de absorber debido a la fijación cuando la distancia entre los pilares es relativamente grande en comparación con la altura de los pilares.
La humectabilidad se puede determinar en función de la composición de la superficie del sustrato.Investigamos el efecto de la composición de la superficie sobre la humectación y absorción de EGaIn mediante la codeposición de Si y Cu en pilares y planos (Figura complementaria 6).El ángulo de contacto de EGaIn disminuye de ~160° a ~80° a medida que la superficie binaria Si/Cu aumenta de 0 a 75% con un contenido de cobre plano.Para una superficie de 75% Cu/25% Si, \({\theta}_{0}\) es ~80°, lo que corresponde a \({L}_{c}\) igual a 0,43 según la definición anterior .Debido a que las columnas l = H = 25 μm con L igual a 1 mayor que el umbral \({L}_{c}\), la superficie de 75% Cu/25% Si después del modelado no absorbe debido a la inmovilización.Dado que el ángulo de contacto de EGaIn aumenta con la adición de Si, se requiere un H más alto o un l más bajo para superar la fijación y la impregnación.Por lo tanto, dado que el ángulo de contacto (es decir, \({\theta}_{0}\)) depende de la composición química de la superficie, también puede determinar si se produce imbibición en la microestructura.
La absorción de EGaIn en cobre estampado/PDMS puede humedecer el metal líquido formando patrones útiles.Para evaluar el número mínimo de líneas de columna que causan imbibición, se observaron las propiedades humectantes de EGaIn en Cu/PDMS con líneas post-patrón que contienen diferentes números de línea de columna del 1 al 101 (Fig. 3).La humectación ocurre principalmente en la región posterior al patrón.La mecha de EGaIn se observó de manera confiable y la longitud de la mecha aumentó con el número de filas de columnas.La absorción casi nunca ocurre cuando hay publicaciones con dos o menos líneas.Esto puede deberse a un aumento de la presión capilar.Para que la absorción se produzca en un patrón columnar, se debe superar la presión capilar causada por la curvatura de la cabeza de EGaIn (Figura complementaria 7).Suponiendo un radio de curvatura de 12,5 µm para un cabezal de EGaIn de una sola fila con un patrón de columnas, la presión capilar es de ~0,98 atm (~740 Torr).Esta alta presión de Laplace puede evitar la humectación causada por la absorción de EGaIn.Además, un menor número de filas de columnas puede reducir la fuerza de absorción debida a la acción capilar entre EGaIn y las columnas.
a Gotas de EGaIn sobre Cu/PDMS estructurado con patrones de diferentes anchos (w) en el aire (antes de la exposición al vapor de HCl).Filas de bastidores comenzando desde arriba: 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) y 11 (w = 525 µm).b Humectación direccional de EGaIn en (a) después de la exposición al vapor de HCl durante 10 min.c, d Humectación de EGaIn en Cu/PDMS con estructuras columnares (c) dos filas (w = 75 µm) y (d) una fila (w = 25 µm).Estas imágenes fueron tomadas 10 minutos después de la exposición al vapor de HCl.Las barras de escala en (a, b) y (c, d) son de 5 mm y 200 µm, respectivamente.Las flechas en (c) indican la curvatura de la cabeza de EGaIn debido a la absorción.
La absorción de EGaIn en Cu / PDMS posmodelado permite que EGaIn se forme mediante humectación selectiva (Fig. 4).Cuando se coloca una gota de EGAIn en un área estampada y se expone al vapor de HCl, la gota de EGAIn colapsa primero, formando un pequeño ángulo de contacto a medida que el ácido elimina las incrustaciones.Posteriormente, comienza la absorción desde el borde de la gota.Se pueden lograr patrones de área grande a partir de EGaIn en escala centimétrica (Fig. 4a, c).Dado que la absorción ocurre sólo en la superficie topográfica, EGaIn solo moja el área del patrón y casi deja de mojar cuando llega a una superficie plana.En consecuencia, se observan límites definidos de los patrones de EGaIn (Fig. 4d, e).En la fig.4b muestra cómo EGaIn invade la región no estructurada, especialmente alrededor del lugar donde se colocó originalmente la gota de EGaIn.Esto se debió a que el diámetro más pequeño de las gotas de EGaIn utilizadas en este estudio excedía el ancho de las letras estampadas.Se colocaron gotas de EGaIn en el sitio del patrón mediante inyección manual a través de una aguja y jeringa de 27 G, lo que dio como resultado gotas con un tamaño mínimo de 1 mm.Este problema se puede resolver utilizando gotas de EGaIn más pequeñas.En general, la Figura 4 demuestra que la humectación espontánea de EGaIn puede inducirse y dirigirse a superficies microestructuradas.En comparación con trabajos anteriores, este proceso de humectación es relativamente rápido y no se requiere fuerza externa para lograr una humectación completa (Tabla complementaria 2).
emblema de la universidad, la letra b, c en forma de rayo.La región absorbente está cubierta con una serie de columnas con D = l = 25 µm.d, imágenes ampliadas de costillas en e (c).Las barras de escala en (a – c) y (d, e) son de 5 mm y 500 µm, respectivamente.En (c – e), pequeñas gotas en la superficie después de la adsorción se convierten en agua como resultado de la reacción entre el óxido de galio y el vapor de HCl.No se observó ningún efecto significativo de la formación de agua sobre la humectación.El agua se elimina fácilmente mediante un sencillo proceso de secado.
Debido a la naturaleza líquida de EGaIn, el Cu/PDMS recubierto con EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) se puede utilizar para electrodos flexibles y estirables.La Figura 5a compara los cambios de resistencia de Cu/PDMS y EGaIn/Cu/PDMS originales bajo diferentes cargas.La resistencia de Cu/PDMS aumenta bruscamente en tensión, mientras que la resistencia de EGaIn/Cu/PDMS permanece baja en tensión.En la fig.5b yd muestran imágenes SEM y los datos EMF correspondientes de Cu/PDMS y EGaIn/Cu/PDMS sin procesar antes y después de la aplicación de voltaje.Para Cu/PDMS intacto, la deformación puede causar grietas en la película dura de Cu depositada sobre PDMS debido a una falta de coincidencia de elasticidad.Por el contrario, para EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn todavía recubre bien el sustrato de Cu/PDMS y mantiene la continuidad eléctrica sin grietas ni deformaciones significativas incluso después de aplicar tensión.Los datos de EDS confirmaron que el galio y el indio de EGaIn se distribuyeron uniformemente en el sustrato Cu/PDMS.Cabe destacar que el espesor de la película EGaIn es el mismo y comparable con la altura de los pilares. Esto también se confirma mediante análisis topográficos adicionales, donde la diferencia relativa entre el espesor de la película de EGaIn y la altura del poste es <10% (Figura complementaria 8 y Tabla 3). Esto también se confirma mediante análisis topográficos adicionales, donde la diferencia relativa entre el espesor de la película de EGaIn y la altura del poste es <10% (Figura complementaria 8 y Tabla 3). Este es el análisis de datos topográficos disponibles, cómo utilizar EGaIn y otros dispositivos столба составляет <10% (doполнительный рис. 8 y таблица 3). Esto también se confirma mediante análisis topográficos adicionales, donde la diferencia relativa entre el espesor de la película de EGaIn y la altura de la columna es <10% (Figura complementaria 8 y Tabla 3).进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和表3）。 <10% Este es un gran análisis de datos topográficos, cómo utilizar EGaIn y otros dispositivos й столба составляла <10% (doполнительный рис. 8 y таблица 3). Esto también se confirmó mediante análisis topográficos adicionales, donde la diferencia relativa entre el espesor de la película de EGaIn y la altura de la columna fue <10% (Figura 8 complementaria y Tabla 3).Esta humectación basada en imbibición permite controlar bien el espesor de los recubrimientos de EGaIn y mantenerlo estable en áreas grandes, lo que de otro modo sería un desafío debido a su naturaleza líquida.Las Figuras 5c y e comparan la conductividad y la resistencia a la deformación del Cu/PDMS y EGaIn/Cu/PDMS originales.En la demostración, el LED se encendía cuando se conectaba a electrodos de Cu/PDMS o EGaIn/Cu/PDMS intactos.Cuando se estira Cu/PDMS intacto, el LED se apaga.Sin embargo, los electrodos EGaIn/Cu/PDMS permanecieron conectados eléctricamente incluso bajo carga, y la luz LED solo se atenuó ligeramente debido al aumento de la resistencia de los electrodos.
a La resistencia normalizada cambia con el aumento de la carga en Cu/PDMS y EGaIn/Cu/PDMS.b, d Imágenes SEM y análisis de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) antes (arriba) y después (abajo) de los polidiplex cargados en (b) Cu/PDMS y (d) EGaIn/Cu/metilsiloxano.c, e LED conectados a (c) Cu/PDMS y (e) EGaIn/Cu/PDMS antes (arriba) y después (abajo) del estiramiento (~30% de tensión).La barra de escala en (b) y (d) es de 50 µm.
En la fig.6a muestra la resistencia de EGaIn/Cu/PDMS en función de la deformación del 0% al 70%.El aumento y la recuperación de la resistencia es proporcional a la deformación, lo que concuerda con la ley de Pouillet para materiales incompresibles (R/R0 = (1 + ε)2), donde R es la resistencia, R0 es la resistencia inicial, ε es la deformación 43. Otros estudios han demostrado que cuando se estiran, las partículas sólidas en un medio líquido pueden reorganizarse y distribuirse más uniformemente con mejor cohesión, reduciendo así el aumento de la resistencia 43, 44. Sin embargo, en este trabajo, el conductor es >99% de metal líquido en volumen, ya que las películas de Cu tienen sólo 100 nm de espesor. Sin embargo, en este trabajo, el conductor es >99% de metal líquido en volumen, ya que las películas de Cu tienen sólo 100 nm de espesor. La proporción de este producto en el aparato es >99%. El metal se coloca sobre el cuerpo, por lo que el tamaño es de 100 nm. Sin embargo, en este trabajo, el conductor consiste en >99% de metal líquido en volumen, ya que las películas de Cu tienen solo 100 nm de espesor.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%Sin embargo, en este trabajo, dado que la película de Cu tiene sólo 100 nm de espesor, el conductor está formado por más del 99% de metal líquido (en volumen).Por lo tanto, no esperamos que el Cu haga una contribución significativa a las propiedades electromecánicas de los conductores.
a Cambio normalizado en la resistencia a EGaIn/Cu/PDMS frente a la deformación en el rango de 0 a 70 %.La tensión máxima alcanzada antes de la falla del PDMS fue del 70% (Figura complementaria 9).Los puntos rojos son valores teóricos predichos por la ley de Puet.b Prueba de estabilidad de conductividad de EGaIn/Cu/PDMS durante ciclos repetidos de estiramiento-estiramiento.En la prueba cíclica se utilizó una deformación del 30%.La barra de escala del recuadro es de 0,5 cm.L es la longitud inicial de EGaIn/Cu/PDMS antes del estiramiento.
El factor de medición (GF) expresa la sensibilidad del sensor y se define como la relación entre el cambio de resistencia y el cambio de deformación45.GF aumentó de 1,7 con una deformación del 10% a 2,6 con una deformación del 70% debido al cambio geométrico del metal.En comparación con otras galgas extensométricas, el valor GF EGaIn/Cu/PDMS es moderado.Como sensor, aunque su GF puede no ser particularmente alto, el EGaIn/Cu/PDMS exhibe un cambio de resistencia robusto en respuesta a una carga de relación señal-ruido baja.Para evaluar la estabilidad de la conductividad de EGaIn/Cu/PDMS, se monitoreó la resistencia eléctrica durante ciclos repetidos de estiramiento-estiramiento con una deformación del 30%.Como se muestra en la fig.6b, después de 4000 ciclos de estiramiento, el valor de resistencia se mantuvo dentro del 10%, lo que puede deberse a la formación continua de incrustaciones durante los ciclos de estiramiento repetidos46.Así, se confirmó la estabilidad eléctrica a largo plazo de EGaIn/Cu/PDMS como electrodo estirable y la confiabilidad de la señal como galga extensométrica.
En este artículo, analizamos las propiedades humectantes mejoradas de GaLM en superficies metálicas microestructuradas causadas por la infiltración.Se logró una humectación completa espontánea de EGaIn en superficies metálicas columnares y piramidales en presencia de vapor de HCl.Esto se puede explicar numéricamente basándose en el modelo de Wenzel y el proceso de mecha, que muestra el tamaño de la microestructura posterior requerida para la humectación inducida por mecha.La humectación espontánea y selectiva de EGaIn, guiada por una superficie metálica microestructurada, permite aplicar recubrimientos uniformes sobre grandes áreas y formar patrones de metal líquido.Los sustratos de Cu/PDMS recubiertos con EGaIn retienen las conexiones eléctricas incluso cuando se estiran y después de repetidos ciclos de estiramiento, como lo confirman SEM, EDS y mediciones de resistencia eléctrica.Además, la resistencia eléctrica del Cu/PDMS recubierto con EGaIn cambia de forma reversible y confiable en proporción a la tensión aplicada, lo que indica su posible aplicación como sensor de tensión.Las posibles ventajas proporcionadas por el principio de humectación del metal líquido causado por la imbibición son las siguientes: (1) el recubrimiento y el patrón de GaLM se pueden lograr sin fuerza externa;(2) La humectación con GaLM en la superficie de la microestructura recubierta de cobre es termodinámica.la película de GaLM resultante es estable incluso bajo deformación;(3) cambiar la altura de la columna recubierta de cobre puede formar una película de GaLM con espesor controlado.Además, este enfoque reduce la cantidad de GaLM necesaria para formar la película, ya que los pilares ocupan parte de la película.Por ejemplo, cuando se introduce una serie de pilares con un diámetro de 200 μm (con una distancia entre los pilares de 25 μm), el volumen de GaLM requerido para la formación de la película (~9 μm3/μm2) es comparable al volumen de la película sin pilares.(25 µm3/µm2).Sin embargo, en este caso hay que tener en cuenta que la resistencia teórica, estimada según la ley de Puet, también aumenta nueve veces.En general, las propiedades humectantes únicas de los metales líquidos analizadas en este artículo ofrecen una forma eficiente de depositar metales líquidos en una variedad de sustratos para electrónica estirable y otras aplicaciones emergentes.
Los sustratos de PDMS se prepararon mezclando matriz Sylgard 184 (Dow Corning, EE. UU.) y endurecedor en proporciones de 10:1 y 15:1 para pruebas de tracción, seguido de curado en un horno a 60°C.Se depositó cobre o silicio sobre obleas de silicio (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., República de Corea) y sustratos de PDMS con una capa adhesiva de titanio de 10 nm de espesor utilizando un sistema de pulverización catódica personalizado.Las estructuras columnares y piramidales se depositan sobre un sustrato de PDMS mediante un proceso fotolitográfico de oblea de silicio.El ancho y alto del patrón piramidal son 25 y 18 µm, respectivamente.La altura del patrón de barras se fijó en 25 µm, 10 µm y 1 µm, y su diámetro y paso variaron de 25 a 200 µm.
El ángulo de contacto de EGaIn (galio 75,5 %/indio 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, República de Corea) se midió utilizando un analizador de forma de gota (DSA100S, KRUSS, Alemania). El ángulo de contacto de EGaIn (galio 75,5 %/indio 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, República de Corea) se midió utilizando un analizador de forma de gota (DSA100S, KRUSS, Alemania). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощью каплевидного анализатора (DSA100S, KRUSS, Alemania). El ángulo del borde de EGaIn (galio 75,5 %/indio 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, República de Corea) se midió utilizando un analizador de gotas (DSA100S, KRUSS, Alemania). EGaIn (75,5%/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. Se midió EGaIn (galio 75,5%/indio 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) utilizando un analizador de contacto (DSA100S, KRUSS, Alemania). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, República de Corea) se incluye en el análisis de formularios (DSA10) 0S, KRUSS, Alemania). El ángulo del borde de EGaIn (galio 75,5 %/indio 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, República de Corea) se midió utilizando un analizador de forma de tapa (DSA100S, KRUSS, Alemania).Coloque el sustrato en una cámara de vidrio de 5 cm × 5 cm × 5 cm y coloque una gota de 4 a 5 l de EGaIn sobre el sustrato con una jeringa de 0,5 mm de diámetro.Para crear un medio de vapor de HCl, se colocaron 20 μL de solución de HCl (37 % en peso, Samchun Chemicals, República de Corea) junto al sustrato, que se evaporó lo suficiente como para llenar la cámara en 10 s.
Se tomaron imágenes de la superficie utilizando SEM (Tescan Vega 3, Tescan Corea, República de Corea).Se utilizó EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, República de Corea) para estudiar el análisis y la distribución cualitativos elementales.La topografía de la superficie de EGaIn/Cu/PDMS se analizó utilizando un perfilómetro óptico (The Profilm3D, Filmetrics, EE. UU.).
Para investigar el cambio en la conductividad eléctrica durante los ciclos de estiramiento, las muestras con y sin EGaIn se sujetaron al equipo de estiramiento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) y se conectaron eléctricamente a un medidor de fuente Keithley 2400. Para investigar el cambio en la conductividad eléctrica durante los ciclos de estiramiento, las muestras con y sin EGaIn se sujetaron al equipo de estiramiento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) y se conectaron eléctricamente a un medidor de fuente Keithley 2400. Для исследования изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn and без него закрепляли на оборудовании для жения (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) y электрически подключали к измерителю источника Keithley 2400. Para estudiar el cambio en la conductividad eléctrica durante los ciclos de estiramiento, se montaron muestras con y sin EGaIn en un equipo de estiramiento (Bending & Stretchable Machine System, SnM, República de Corea) y se conectaron eléctricamente a un medidor fuente Keithley 2400.Para estudiar el cambio en la conductividad eléctrica durante los ciclos de estiramiento, se montaron muestras con y sin EGaIn en un dispositivo de estiramiento (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, República de Corea) y se conectaron eléctricamente a un Keithley 2400 SourceMeter.Mide el cambio en la resistencia en el rango del 0% al 70% de la tensión de la muestra.Para la prueba de estabilidad, el cambio en la resistencia se midió durante 4000 ciclos de deformación al 30%.
Para obtener más información sobre el diseño del estudio, consulte el resumen del estudio de Nature vinculado a este artículo.
Los datos que respaldan los resultados de este estudio se presentan en los archivos de Información complementaria y Datos sin procesar.Este artículo proporciona los datos originales.
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