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Jul 27, 2023

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Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2643 (2022) Citare questo articolo

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Il metallo liquido è considerato un materiale promettente per l'elettronica leggera grazie alla sua distinta combinazione di elevata conduttività elettrica paragonabile a quella dei metalli ed eccezionale deformabilità derivata dal suo stato liquido. Tuttavia, l’applicabilità del metallo liquido è ancora limitata a causa della difficoltà nel raggiungere contemporaneamente la stabilità meccanica e la conduttività iniziale. Inoltre, la modellazione affidabile e rapida di metallo liquido stabile direttamente su vari substrati morbidi ad alta risoluzione rimane una sfida formidabile. In questo lavoro viene presentata la stampa guidata dal menisco di inchiostro contenente particelle microgranulari di metallo liquido legate a polielettrolita in un solvente acquoso per generare metallo liquido allo stato semisolido. Le particelle microgranulari di metallo liquido stampate in regime evaporativo sono meccanicamente stabili, inizialmente conduttive e modellabili fino a 50 μm su vari substrati. Le dimostrazioni del circuito elettrico ultraestensibile (~500% di tensione), della pelle elettronica personalizzata e del sensore ECG a zero rifiuti convalidano la semplicità, la versatilità e l'affidabilità di questa strategia di produzione, consentendo un'ampia utilità nello sviluppo di elettronica morbida avanzata.

Con la crescente domanda di dispositivi elettronici applicabili a display indossabili, skin elettroniche (e-skin) e dispositivi sanitari indossabili, i dispositivi elettronici morbidi personalizzati con elevata elasticità stanno ricevendo molta attenzione1,2,3,4,5,6. A differenza delle strategie convenzionali per la modellazione utilizzando maschere rigide (ad esempio, serigrafia, fotolitografia), la modellazione additiva basata su maschere digitali come la stampa a getto d'inchiostro consente la fabbricazione rapida ed economica di dispositivi elettronici di vari design7,8,9,10. Inoltre, poiché la modellazione basata su maschera rigida non è compatibile con substrati morbidi, la stampa additiva è stata considerata più appropriata per la fabbricazione versatile di componenti elettronici morbidi.

Un materiale conduttivo ideale e un processo di stampa per componenti elettronici elastici morbidi richiedono contemporaneamente (1) alta conduttività, (2) alta risoluzione, (3) elevata elasticità, (4) stabilità meccanica, (5) semplice elaborazione rapida in un unico passaggio e ( 6) stampabilità su vari substrati. Come candidati, sono stati studiati materiali 1/2D, polimeri conduttori e matrici incastonate di particelle metalliche11,12,13,14,15. Tuttavia, questi materiali presentano limitazioni per l'uso come componenti elettronici morbidi ed elastici, a causa della loro bassa conduttività rispetto ai metalli e/o dell'insufficiente deformabilità meccanica. Il metallo liquido (LM) a base di gallio supera queste limitazioni grazie alle sue combinazioni uniche di elevata conduttività e deformabilità a livello del metallo16,17,18. Tuttavia, l'instabilità meccanica del LM, dovuta alla sua fluidità, ne ostacola l'applicabilità pratica, poiché il contatto diretto con altri materiali (ad esempio componenti elettronici, pelle) è limitato19.

Per superare gli inconvenienti sopra menzionati del LM sfuso, è stato studiato attivamente l'approccio basato sulle particelle LM in cui lo strato di ossido esterno può frenare il suo comportamento simile a quello fluido20,21. Tuttavia, la formazione dello strato di ossido nativo deteriora la conduttività elettrica poiché l'ossido è un isolante. Pertanto, dopo la modellazione, è necessaria un'ulteriore lavorazione come il lavaggio meccanico, la deformazione a trazione o l'attacco chimico per rompere o rimuovere lo strato di ossido10,22,23,24,25. Ciò, tuttavia, riconverte le particelle LM in LM sfuso, reintroducendo così i problemi affrontati con il LM sfuso. Inoltre, la necessità di lavorazioni aggiuntive introduce potenzialmente aree difettose (ad esempio aperte o in cortocircuito), generando così incertezze che rendono inaffidabile il processo di fabbricazione. Per far fronte a questa questione, Jeong et al. recentemente riportato microparticelle di metallo liquido intrinsecamente conduttive mediante drogaggio con idrogeno, che possono essere modellate mediante stampa con ugelli26. Sebbene le particelle di metallo liquido drogato mostrino una conduttività elettrica intrinseca affidabile pur mantenendo la loro stabilità, non è stata dimostrata la modellazione ad alta risoluzione. Inoltre, l’inchiostro a base di solventi organici e la necessità di ricottura ad alte temperature per un lungo periodo di tempo (120 °C, 3 ore) limitano il tipo di substrato che può essere utilizzato e limitano la produzione rapida. Pertanto, nonostante i numerosi sforzi, i suddetti requisiti critici per il materiale conduttivo stampato per l'elettronica morbida ed estensibile non sono stati ancora affrontati.