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深圳大学:室温液态金属瞬态可回收的环境友好型柔性电子

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发表于 2019-2-23 11:20:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,深圳大学周学昌课题组设计和构建了一种基于室温液态金属的瞬态可回收的环境友好型柔性电子。该研究成果发表在Adv.Funct.Mater.(2019,DOI:10.1002/adfm.201808739.)期刊上。在本项研究中,研究人员采用聚乙烯醇(以下简称:PVA)作为可溶解的封装材料,液态金属作为可回收的柔性导体。由于PVA具有水溶性,因此用完的电子设备置于水中便可立即销毁,电路销毁形成液态金属小液滴只需添加少量低浓度氢氧化钠溶液即可完成液态金属的小液滴间融合回收。该方法加工工艺简单,所采用的液态金属具有极高的柔性、安全性和可回收性。
传统电子设备的研发和生产通常以稳定、坚固和耐用为出发点,因此电子产品在损坏或淘汰后无法轻易处理,产生的电子垃圾对环境造成巨大的负担。现有的电子垃圾处理方式需要复杂的步骤和工艺,并可能产生对环境有害的固体、液体和气体,危及着人类的健康和生态环境的可持续发展。发展可降解、低排放甚至是可回收的环境友好型电子成为了电子设备的未来趋势之一。此外,可降解、低毒性的瞬态电子设备作为植入医疗设备可在任务结束后被降解或吸收,从而避免需要手术取出而带来的二次伤害。然而受限于材料的特殊性和特定的加工工艺,目前仅有少量的电子设备实现可降解或可吸收,极大地限制了该新兴电子技术的发展。
研究中采用真空辅助液态金属图案化和水雾辅助的封装方法,解决了在PVA中封装液态金属电路的难点。利用这种方法可以制备复杂的液态金属图案,且制备得到的液态金属瞬态可回收电路具有极高的机械和电学稳定性,可以在经受各种形变下仍然保持图案完整性。而且在高强度弯曲、扭曲下依然保持良好的导电性,在高达1万次的弯曲疲劳测试后,电路的导电性能也几乎不受影响(图1)。为了验证该方法,研究人员成功实现了多种复杂电路的设计,实现了基于液态金属电路的近场通讯、电容传感器等器件等应用。
深圳大学:室温液态金属瞬态可回收的环境友好型柔性电子
图1、a)PVA封装的液态金属图案的拉伸、挤压和折叠机械形变。b-c)不同弯曲半径下的电路电阻变化及其疲劳测试结果。
为了进一步验证该方法,研究人员还设计了一个可用于顺序关闭LED灯阵列的液态金属电路。实验中通过控制水的位置来逐步溶解PVA-液态金属电路,实现按顺序关闭LED的控制(图2a-b)。研究人员最后通过实验室验证了PVA封装的液态金属瞬态电子的可回收性(图2c)。所制备的电路浸入水中可自动销毁,形成液态金属小液滴,通过添加低浓度的NaOH溶液,改变了液态金属的表面张力,液态金属小液滴可以快速融合成大液滴,极大地方便回收,金属的回收率高达96%。
图2、a,b)液态金属瞬态LED电路与c)电路回收过程。
该研究为柔性电子、瞬态电子以及液态金属研究等领域提供了新的研究思路。液态金属的瞬态可回收的环境友好型柔性电子在瞬态通讯设备、传感器、健康医疗、信息安全等领域具有潜在的应用价值。该工作得到国家自然科学基金、深圳市基础研究项目和孔雀技术创新等项目的资助。
室温液态金属,例如镓及其合金,常温下呈液态,具备良好的流动性、高导电性、高导热性、低毒、低蒸气压等优点,被认为在软电子学、软体机器人、柔性可穿戴设备、健康医疗等领域具有潜在的应用前景。近两年来,深圳大学周学昌课题组在液态金属的表界面性能调控及应用方面进行了多项研究工作,主要包括:液态金属瞬态可回收柔性电子(Adv.Funct.Mater.,2019,1808739.);使用聚四氟乙烯薄片包覆液态金属液滴,成功制得一种具有优异机械性能的高弹性液态金属液滴(Mater.Horiz.,2017,4,591-597);使用石墨烯包覆液态金属液滴,制得一种具有高导电性的液态金属液滴,并成功用于可活动、可回收、可变形的软接触电极及运动方向指示器件(Adv.Funct.Mater.,2018,28,1706277);采用聚多巴胺包覆液态金属纳米液滴,使得该纳米液滴在近红外光照射下能够发生形变(Small,2019,1804838)。此外,该课题组还研发了可用于全软导体的液态金属弹性海绵(J.Mater.Chem.C,2017,5,1586-1590.)、冷冻热转印液态金属图案化技术(J.Mater.Chem.C,2017,5,6790-6797)和酸性电解质条件下的可定向移动的液态金属液滴机器(Langmuir,2019,35,372–381)。
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