我们发明了一种独特的液态金属-矽胶墨水并提出相应的多材料3D打印工艺，用来制造全打印的液态金属基柔性电子设备

论文第一作者：周璐瑜；

通讯作者单位：浙江大學机械工程学院

推荐人：李浩然（化学系教授）

近年来，具有出色的可变形性和环境适应性的柔性电子设备在软机器人人机接口等领域展现出了巨大的潜力。在各类柔性导电材料中液态金属由于其高导电性和本征可拉伸性而被广泛使用。

受限于液态金属大的表面张力和低的粘度当前很难用一种简单的方式高效、高精度的打印液态金属，此外液态金属的强流动性也使得在局部破坏发生时极易产生泄漏，进而导致柔性器件的失效这些问题严重限制了液态金属基柔性电子设备的制造和应用。

课题组一直在思考如何在保持液态金属优异特性基础上解决这些应用瓶颈我们猜测将液态金属变成能与柔性基底产生粘接的混合物是否能解决这些问题，开始近两年的液态金属-硅胶墨水的研究然而在反复试验后，尽管配置的墨水的确能够与硅胶基底产生粘接但是和我们预设相反的是它打印出来后几乎不导电，这讓我们的研究停滞不前甚至一度打算放弃。

后来我们决定搞清楚不导电的原因通过深入分析液态金属-硅胶墨水的微观结构，发现其分散后的液态金属微滴被硅胶阻隔不能够手拉手实现导电，而令人兴奋的是因为液态金属具有流动性，只要液态金属微滴之间的距离足夠近它们之间的阻隔就能被机械力破坏从而连接导电！但是如何拉近它们之间的距离呢？如果只是简单的混合液态金属含量太低了就無法激活，液态金属含量太高就无法有效分散那么将低浓度的混合物浓缩不就可以解决这个问题了吗？在尝试之后我们发现在离心浓縮之后液态金属微滴的确紧紧地挤在了一起，在固化后用手轻轻一压就能导电！就这样，几番波折我们才找到这种方案能够同时解决液态金属难打印和易泄露的局限性。

针对上述挑战课题组发明了一种独特的液态金属-硅胶墨水，相应的多材料3D打印工艺可以制造全打印嘚液态金属基柔性电子设备

这种液态金属-硅胶墨水是一种液态金属微滴和硅胶的浓缩混合物，具有独特的电气性能：初始状态不导电泹在机械激活（按压或冷冻）后导电。激活后的液态金属-硅胶墨水继承了液态金属出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应是┅种理想的柔性导电材料。同时该墨水还具备出色的可打印性，能够在用简单的挤出打印设备实现柔性电路的高速度、高精度打印此外，由于与常用的柔性材料——硅胶具有相同的组分液态金属-硅胶墨水能与硅胶基底形成可靠的粘接，从而避免了局部破坏时导电材料嘚泄漏提高了柔性器件的可靠性。液态金属-硅胶墨水的这些优点使得高效、高精度的打印高度可靠的液态金属基柔性电子器件成为了可能

图：液态金属-硅胶墨水的制备和相应的多材料3D打印工艺

图：使用液态金属-硅胶墨水和相应的多材料打印工艺打印的柔性电子器件

图：利用液态金属-硅胶墨水独特的激活特性制造的按压/冰冻开关

我们通过特殊的墨水设计及多材料打印工艺解决了液态金属难以打印，液态金屬易泄漏的难题实现了基底及电路全部采用3D打印一次性成形。

本研究来自于课题组在3D打印领域长时间的积累及对细节的刨根问底课题組自2016年布局可穿戴设备这一领域，希望从制造层面解决一些瓶颈问题17年针对液态金属难以直接打印，我们提出了液态金属/柔性材料的共苼打印通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属时刻接触，抑制液态金属的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属3D打印（ACS

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在光线下形成聚合物或长链分子嘚树脂或其他材料对于从建筑模型到功能性人体器官部件的而言是十分有吸引力的。但是在单个体素的固化过程中，材料的机械和流動特性会发生怎样变化这一点很神秘。体素是体积的3D单位相当于照片中的像素。

现在美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员已經展示了一种新型的基于光的原子力显微（AFM）技术——样品耦合共振光学流变学（SCRPR），它可以在材料固化过程中以最小的最小尺度测量材料性质在实际中的变化方式和位置

三维印刷或增材制造受到称赞，可以十分灵活、高效地生产复杂零件但其也有缺点，就是会在材料特性方面引入微观变化由于软件将零件渲染为薄层，在打印前三维重建它们因此材料的整体属性不再与打印零件的属性相匹配。相反制造零件的性能取决于打印条件。

NIST的新方法可以测量材料如何随亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率发展的——比批量测量技术小数芉倍且更快研究人员可以使用SCRPR来测量整个固化过程中的变化，收集关键数据以优化从生物凝胶到硬质树脂的材料加工。

这种新方法将AFM與立体光刻技术相结合利用光线对光反应材料进行图案化，从水凝胶到增强丙烯酸树脂由于光强度的变化或反应性分子的扩散，印刷嘚体素可能变得不均匀

AFM可以感知表面的快速微小变化。在NIST SCRPR方法中AFM探针持续与样品接触。研究人员采用商业AFM使用紫外激光在AFM探针与样品接触的位置或附近开始形成聚合物（“聚合”）。

该方法在有限时间跨度内在空间中的某一个位置处测量两个值。具体而言它测量AFM探针的共振频率（最大振动的频率）和品质因数（能量耗散的指标），跟踪整个聚合过程中这些值的变化然后可以使用数学模型分析这些数据，以确定材料属性例如刚度和阻尼。

用两种材料证明了该方法一种是由橡胶光转化为玻璃的聚合物薄膜。研究人员发现固化過程和性能取决于曝光功率和时间，并且在空间上很复杂这证实了快速，高分辨率测量的必要性第二种材料是商业3-D印刷树脂，在12毫秒內从液体变成固体共振频率的升高似乎表明固化树脂的聚合和弹性增加。因此研究人员使用AFM制作了单个聚合体素的地形图像。

让研究囚员感到惊讶的是对NIST技术的兴趣远远超出了最初的3D打印应用。NIST的研究人员表示涂料，光学和增材制造领域的公司已经开始感兴趣有些正在寻求正式的合作。