激光网2月28日消息，镓基液态金属复合材料有望成为可拉伸电子产品、软机器人和生物集成器件，这些器件可以像塑料一样弯曲和顺应。它们的可成型性也为直接打印可自我修复的柔性电路提供了机会。但是这些亚稳态流体 - 缺乏刚性结晶键，使原子保持固定排列 - 很快就会失去印记形状，在没有容器的情况下恢复为无形的斑点。
研究中使用的最常见的镓基液态金属变体是共晶镓铟 – 一种含有 75% 镓和 25% 铟的混合物，在室温下熔化。这使得它能够在没有外部加热的情况下保持流体，同时还结合了铟的卓越导电性。
现在，北卡罗来纳州立大学的研究人员报告了一项突破——液态金属复合材料在暴露于水时会自发生长超过400%的体积，同时保持与起始材料相似的金属导电性。具体来说，形态从初始阻力位 10 -2开始扩展反应生长后欧姆至约0.1欧姆，保持了与源复合材料相当的高电导。
这种可调的化学反应性将持久的障碍变成了机会。它开启了直接打印响应式和自我修复电子产品的新范式，这些电子产品会随着时间而改变形状。这些发现推进了绕过刚性和脆性的软机器人和生物集成设备的未来愿景。
像共晶镓铟这样的液态金属长期以来一直以其金属电导率和低于室温的熔点的奇怪组合而着迷。这些流动的金属从刚性结晶键的虎钳夹具中展开，像塑料一样弯曲，像水一样流动。这种流体的多功能性表明了作为柔软、可拉伸的电线和电极的潜在用途，这些电线和电极可以扭曲、弯曲并贴合任何表面或运动部件。它们的可成型性也为电子产品的室温印刷提供了机会，避免了对铜或硅等传统导电材料进行图案化所需的高温和细致的环境。
然而，主要的障碍已经扼杀了液态金属电子产品的前景。如果没有容器，这些亚稳态液体很快就会失去印记形状并流入无形的斑点。早期的稳定尝试包括用氧化的表皮涂覆液滴以抑制流动，从而产生太小而无法实际使用的亚毫米导体。最近的努力是将液态金属复合成颗粒填充的糊状物，其厚度足以直接打印。但印刷痕迹仍然粗短，在适度拉伸后会开裂。
现在，由北卡罗来纳州立大学的迈克尔·迪基领导的一个跨学科团队报告了一种全新的现象 - 液态金属混合物在“浇水”时会变得更大，同时保持有用的导电性。通过利用液态金属和水之间已知的化学反应，研究人员已经将障碍转化为突破。
研究结果已发表在Advanced Materials上。
该技术建立在液态金属泡沫的早期进展之上 - 用气泡搅拌的镓合金，并由天然氧化镓的稳定表皮围起来。偶然地，研究小组发现这些复合材料在暴露于微量的水时会急剧膨胀。只需 1% 的水即可推动起泡，并在一天内增加 5 倍的体积。由此产生的材料尽管含有超过 85% 的空气，但仍然具有高导电性。
这是因为水渗透促进氧化反应，产生多孔氢氧化镓，同时释放氢气。通常，氧化只是钝化表面。但是，鉴于大量可水接触的镓界面，反应会在这种充气介质中自我传播。逐渐积聚的气体会施加内部压力，使泡沫进一步膨胀——就像面包面团从酵母发酵的副产品中升起一样。
值得注意的是，这种外星人的反应性是可以调整和指导的。在脆化开始之前，更多的初始水会产生更快、更大的生长。限制反应性前体可以像给气球充气一样引导膨胀，使形状符合封闭的空隙。在尺寸增长超过 400% 后，最终结构保留了与其起始糊体相似的金属导电性。但组合物必须保持干燥，因为持续的水分暴露最终会消耗电气特性。
该团队将这种现象用于打印反应性液态金属图案，这些图案在沉积后会自发增加尺寸。通过限制亚克力通道中的膨胀，他们展示了一种“生长导体”，可以自动填充电路中的空隙。这有可能实现高效、免提的电气桥接，而无需复杂的打印头或恶劣的金属沉积环境。它还可以减少所需的昂贵液态金属的数量。
气体产生方面还支持气动驱动，该团队利用气动驱动为软夹持器提供动力。用不断发展的氢气充气袋使设备能够抓取和提升物体，而无需任何刚性部件或笨重的管道。避免外部电源和控制，结构非常简单。
虽然目前抓取强度不高，但主要作者Febby Krisnadi指出：“该演示为未来的发展提供了令人兴奋的机会，因为它是一种图案化技术，可以，1、实现免提，无需依赖复杂的点胶机械，2、减少填充给定体积通道所需的LM量，而不会影响电导， 3、在室温下进行，不需要特殊的环境条件。
尽管长期应用需要更好的封装以保持干燥并防止脆化，但这些发现显着推动了液态金属电子学的发展。研究人员解释说，这一突破代表了“一种4D打印，它将打印的自动化与自发过程相结合，这些过程以一种取决于环境的方式改变3D结构。这种化学反应性所实现的丰富的动态形状变化和驱动范围为软响应电子和机器人技术开辟了新的视野。
这项工作对液态金属泡沫具有重要意义，因为暴露于水会导致尺寸和物理性能变化，这些变化可能是可取的，也可能是不可取的。在这里，我们寻求更好地理解和利用这些。通过采用以前被认为具有破坏性的反应性，研究人员已经将致命弱点转化为力量。他们的水性生长液态金属复合材料为打印自塑金属结构提供了全新的范式，使我们更接近于有朝一日与天然组织的能力相匹配。
