液态金属氧化效应对基底润湿性的影响

液态金属完美结合了液体和金属的各自优点，包括液体的流动性、灵活性以及金属良好的导电性、导热性等，其在打印柔性电子领域具有广阔的发展前景。然而由于液态金属的表面张力很大，与很多材料都不能较好地浸润，这个问题阻碍了液态金属在柔性电子电路上的应用。已有的研究有通过设计特殊的液态金属打印头结构［24］或者调控打印墨水材料的固液相态及打印步骤［25］间接解决浸润性差的问题，这些方法通常需要十分复杂的结构设计或者多个流程。

在早期研究中，为解决应用中的有关技术瓶颈，笔者实验室发掘出了一系列可以直接改变液态金属表面张力从而调控液态金属浸润性的方法，其中之一就是通过控制液态金属氧化过程来降低液态金属表面张力，增加润湿性。液态金属氧化形成的氧化物可以显著降低其表面张力，同时增加其黏度，因此液态金属的润湿性和流动性都可以通过仔细控制氧化过程来调控［26］。比如，镓基液态金属非常容易在空气中氧化，因此通过在空气中搅拌液态金属即可控制氧化过程。一种液态金属手写笔就采用了氧含量为0.025%的GaIn10合金作为墨水，这个氧化比例在各种基底上都表现出完美的润湿性［27］，如环氧树脂、玻璃、塑料、硅胶、打印纸、棉布、玻璃纤维等。

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图4.12　研究人员展示液态金属皮肤电路［28］

氧化调控后的镓基液态金属也是一种理想的生物电极材料，除了其自身的高电导率、生物相容性和舒适性优点，液态金属的极化电压也很低（＜-1V），因此不会对人体有害。研究者为此引入了氧含量为0.34%的镓基液态金属作为心电采集电极［28］，这种电极可以非常容易地涂写在人体皮肤上。实验证明，此种液态金属电极与常规心电电极的效果几乎一样，但是简易性和快捷性都大大提高。另外，液态金属作为柔性电子皮肤也只需简单地像在纸上画画一样画在皮肤上，图4.12展示了一个画在手掌上的柔性皮肤电路［28］，当将电池两极接触时，电路即接通。这些都展示出液态金属在医疗探测辅助手段上的可行性及有效性。