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  和傳統的二維電子器件相比，三維柔性電子器件能夠實現多維功能和多組件的集成，在軟體機器人和可穿戴傳感器領域中具有廣泛的應用前景。液態金屬（Liquid Metal, LM）兼具獨特的金屬性質和流體特性，是制造柔性電子器件的理想材料。然而，液態金屬的粘度低，表面張力高，一般只適用于二維圖案的制備，阻礙了其在三維柔性設備上的應用。為了制備復雜的三維柔性器件，迫切需要開發新的液態金屬三維圖案法。

  近期研究表明，在毛細力的作用下，液體可被限制在晶格結構的特定區域內，因此可以控制晶格結構的大小實現液體流動路徑的編程。受此啟發，新加坡南洋理工大學周琨教授和東南大學劉小將研究員研究團隊提出了一種毛細力輔助液態金屬三維圖案法，并將其應用于制造三維柔性導電材料。該團隊使用高精度數字光處理（DLP）3D打印技術制備了柔性晶格結構；在毛細力驅動下，液態金屬顆粒/溶劑分散液能夠沿編程的路徑流動，最后在特定的晶格柱表面沉積并連接成膜。該工作以“Capillarity-Assisted 3D Patterning of Liquid Metal”為題，發表在Advanced Functional Materials期刊上。

圖1. 通過毛細力輔助實現液態金屬在多級結構中的三維圖案化

  由于液態金屬的氧化生成的氧化層會阻礙液滴流動，因此，需要對液態金屬的流變性進行調整。實驗表明，液態金屬顆粒/乙醇分散液在柔性樹脂表面的接觸角接近0°，可自發流入晶格結構并潤濕微柱表面，從而實現精確三維圖案化。不同尺寸的晶格結構對液體高度限制影響揭示了該方法的可調控性。

圖2. DLP打印柔性晶格結構中的液體流動行為

  通過浸沒或注射工藝可實現特定路徑的精確圖案化，其中液態金屬提供導電性，晶格結構則賦予了柔性和結構穩定性。采用該方法可以簡便地制備功能性結構，包括三維電路、電磁屏蔽材料、以及可穿戴傳感器。因此，該團隊提出的液態金屬三維圖案技術在柔性電子高度集成和可定制中展現了巨大潛力。

圖3. 免組裝可穿戴傳感器的制造與測試

  團隊介紹：該工作第一作者是新加坡南洋理工大學博士生高銘，通訊作者是南洋理工大學周琨教授和東南大學劉小將研究員，文章合著者包括南洋理工大學博士生范靜波、高婧雯，東南大學碩士生周煜寧。其中周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學數字制造聯合實驗室和新加坡3D打印中心，研究內容聚焦于1）粉床熔融、擠出成型、光固化、定向能量沉積等增材制造技術、2）先進聚合物及金屬材料研發、3）先進結構設計和多尺度模擬仿真。劉小將研究員課題組工作聚焦于1）高精度3D打印技術、2）微流體芯片、3）人體器官芯片、4）光子晶體檢測技術。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415819