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Jul 27, 2023

Menisco rápido

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 2643 (2022) Citar este artigo

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O metal líquido está sendo considerado um material promissor para eletrônica macia devido à sua combinação distinta de alta condutividade elétrica comparável à dos metais e excepcional deformabilidade derivada de seu estado líquido. No entanto, a aplicabilidade do metal líquido ainda é limitada devido à dificuldade em atingir simultaneamente sua estabilidade mecânica e condutividade inicial. Além disso, a padronização confiável e rápida de metal líquido estável diretamente em vários substratos macios em alta resolução continua sendo um desafio formidável. Neste trabalho, é apresentada a impressão guiada por menisco de tinta contendo partículas microgranulares de metal líquido ligadas a polieletrólitos em um solvente aquoso para gerar metal líquido no estado semi-sólido. A partícula microgranular de metal líquido impressa no regime evaporativo é mecanicamente estável, inicialmente condutora e padronizável até 50 μm em vários substratos. Demonstrações do circuito elétrico ultraextensível (~ 500% de tensão), e-skin personalizado e sensor de ECG sem desperdício validam a simplicidade, versatilidade e confiabilidade dessa estratégia de fabricação, permitindo ampla utilidade no desenvolvimento de eletrônicos macios avançados.

Com a crescente demanda por dispositivos eletrônicos para aplicabilidade em telas vestíveis, pele eletrônica (e-skin) e dispositivos vestíveis de saúde, eletrônicos macios personalizados com alta elasticidade estão recebendo muita atenção1,2,3,4,5,6. Ao contrário das estratégias convencionais para padronização usando máscaras rígidas (por exemplo, serigrafia, fotolitografia), a padronização aditiva baseada em máscara digital, como a impressão a jato de tinta, permite a fabricação rápida e econômica de dispositivos eletrônicos de vários designs7,8,9,10. Além disso, como o padrão baseado em máscara rígida não é compatível com substratos macios, a impressão aditiva foi considerada mais apropriada para a fabricação versátil de eletrônicos macios.

Um material condutor ideal e um processo de impressão para componentes eletrônicos elásticos macios requerem simultaneamente (1) alta condutividade, (2) alta resolução, (3) alta elasticidade, (4) estabilidade mecânica, (5) processamento rápido simples em uma etapa e ( 6) capacidade de impressão em vários substratos. Como candidatos, materiais 1/2D, polímeros condutores e matrizes incorporadas com partículas de metal foram investigados11,12,13,14,15. No entanto, esses materiais têm limitações para uso como eletrônicos elásticos macios, devido à sua baixa condutividade em comparação com os metais e/ou deformabilidade mecânica insuficiente. O metal líquido (LM) à base de gálio supera essas limitações devido às suas combinações exclusivas de alta condutividade e deformabilidade em nível de metal16,17,18. No entanto, a instabilidade mecânica do LM, devido à sua fluidez, dificulta sua aplicabilidade prática, pois o contato direto com outros materiais (por exemplo, componentes eletrônicos, pele) é limitado19.

Para superar as desvantagens acima mencionadas do bulk LM, a abordagem baseada em partículas LM foi estudada ativamente, onde a camada externa de óxido pode restringir seu comportamento semelhante ao fluido20,21. No entanto, a formação da camada de óxido nativo deteriora a condutividade elétrica, pois o óxido é um isolante. Portanto, após a padronização, é necessário um processamento adicional, como depuração mecânica, deformação por tração ou ataque químico, para romper ou remover a camada de óxido10,22,23,24,25. Isso, no entanto, converte as partículas LM de volta para LM em massa, reintroduzindo assim os problemas enfrentados com LM em massa. Além disso, a necessidade de processamento adicional introduz potencialmente áreas defeituosas (por exemplo, abertas ou em curto), gerando assim incertezas que tornam o processo de fabricação não confiável. Para lidar com esta questão, Jeong et al. relataram recentemente micropartículas de metal líquido intrinsecamente condutoras por dopagem com hidrogênio, que podem ser padronizadas por impressão de bicos26. Embora as partículas de metal líquido dopado mostrem condutividade elétrica intrínseca confiável, mantendo sua estabilidade, o padrão de alta resolução não foi demonstrado. Além disso, a tinta à base de solvente orgânico e a necessidade de recozimento em altas temperaturas por um longo período de tempo (120 °C, 3 h) restringem o tipo de substrato que pode ser usado e limitam a fabricação rápida. Portanto, apesar dos inúmeros esforços, os requisitos críticos acima mencionados para material condutor impresso para eletrônicos macios elásticos ainda não foram atendidos.