Adv. Funct. Mater.：用于液滴型浮动电极的无粘性、无腐蚀性、可导电石墨烯包覆液态金属液滴有效制备

【引言】

液态金属是在低温条件下处于液态的一类材料，具有液体和金属的性质，近期，由于其在开发如柔性电子器件、能量收集存储装置、生物成像、传感器、机器人、变形系统等先进设备中具有的应用前景，受到了较大关注。常见的液态金属包括Hg,Ga和Ga基合金，其中Ga基合金是最常见的液态金属，主要由于其低毒性和极低的蒸气压，可应用于柔性电子设备中。

【成果简介】

室温液态金属（室温下液相的导电材料）是一类应用广泛的新兴材料。特别是，以镓及其合金为代表的非毒性室温液态金属引起了研究人员的极大关注，可广泛应用于在柔性电子、机器人、健康医疗、能源等领域。但由于其表面极其容易氧化，并对其他金属的具有浸润性和腐蚀性，很容易破坏或污染其他金属电路，极大地限制了它的使用。

近日，深圳大学的周学昌教授开展了相关研究工作，其研究成果以“Robust Fabrication of Nonstick, Noncorrosive, Conductive Graphene-Coated Liquid Metal Droplets for Droplet-Based, Floating Electrodes”为题发表在Advanced Functional Materials上。本文提出了一种制备高导电性的石墨烯包覆液态金属（GLM）液滴的可行方法，并阐述了其在电路中作为非黏性、非腐蚀性、可移动柔性接触的应用。GLM液滴包括一个液相的软核和外层为石墨烯薄片的保护层。这一结构结合众多优异性能解决了柔性电子接触的润湿性和导电性的同步控制，包括非黏性、非腐蚀性，且在与Au,Cu,Ag和Ni金属电极接触时表现出高导电性。作为概念验证，制得的GLM液滴作为浮动电极在电路中可移动、可变性、可循环回收电子柔性接触中进行了演示。

【图文导读】

 图1：石墨烯包覆液态金属液滴图像。

(a)制备石墨烯包覆液态金属液滴的示意图；

(b,c)制备好的GLM液滴的数字图像和显微图像；

(d,e)制备好的GLM液滴的电子显微镜图像。

图2：液态金属液滴（第3列）与GLM液滴（第1列）的黏性和腐蚀性对比。

每行都表示不同的金属。行a)Cu,b)Au,c)Ag,d)Ni,e)Ag纤维。第2列表示金属电极在去除GLM液滴后的情况，而第4列表示金属电极去除传统液态金属液滴的情况。第5列表示在去除液态金属（第3列）和去除剩余物（第4列），被腐蚀后电极的放大图像。

图3：GLM液滴再回收利用特性及相关参数。

(a) 制得的GLM液滴用NaOH水溶液和去离子水清洗后的再利用；

(b)GLM液滴的电阻值增量随再利用次数的变化关系，R_LM和R_GLM分别为测得的液态金属和GLM液滴的电阻值；

(c)GLM液滴的滚动角随着再利用次数的变化情况。

图4：GLM液滴在电路中作为可移动柔性接触的验证实验。

(a)可移动电路中GLM基电子接触器的示意图；

(b)基于GLM的电子摩托车在Cu轨道上移动时，对电路电流的实时监控，内嵌图表示在移动过程中LED灯发光情况；

(c)通过上下移动GLM基摩托车实现可移动电路在开/关之间切换操作。

图5：GLM液滴作为浮动电极的应用演示。

(a)GLM基浮动电极及其在两个不同电路中应用的示意图。在①中，GLM液滴无需电阻器就可打开电路，然而在有电阻器的电路中，会开关倾斜到另一侧（如③）,对于中间水平位置，GLM并没有打开任何电路；

(b)GLM基浮动电极用于方向传感器；

(c)(b)中的方向传感器的l-t曲线，(b)和(c)中的标号与(a)中的顺序对应。

【小结】

本文提出了一种制备无毒、无粘性、无腐蚀性的导电液态金属液滴的可行的制备方法，这种液滴可以作为可再利用、可移动、可变形的柔性电路接触器，并阐述了其在方向指示和移动监测方面的应用。这项研究的主要结果是石墨烯薄片易贴附在黏性的液态金属表面，形成一种极润滑的液态金属液滴的可导电外层。该工作系统研究了石墨烯包覆液态金属(GLM)液滴的表面性质。制备好的GLM液滴在电路中传统的金属表面表现出优异的非粘性和无腐蚀性。这些特性对于防止集成电路或设备被液态金属污染或腐蚀至关重要。GLM液滴是可回收再利用的，因此可以大幅度降低液态金属基的应用成本。另外，本文作者还开发了一系列应用。可以预见，非粘性的可导电GLM液滴将会对健康和可移动设备领域的新型传感器和监控设备产生较大影响。

文献链接：Robust Fabrication of Nonstick, Noncorrosive, Conductive Graphene-Coated Liquid Metal Droplets for Droplet-Based, Floating Electrodes（Adv. Funct. Mater.，2018，DOI：10.1002/adfm.201706277）

团队介绍：

深圳大学化学与环境工程学院周学昌课题组，2014年成立，致力于表界面、功能材料、柔性电子和图案化技术等方面的研究。课题组负责人周学昌，男，1982年出生，博士，副教授/特聘研究员，化学系副系主任，深圳市海外高层次人才（孔雀计划B类），深圳大学优秀青年教师（“荔园优青”）。2005年毕业于中国科学技术大学并获高分子化学专业学士学位（论文指导导师：张广照教授），2005-2010年在香港中文大学化学系学习获硕士、博士学位(微流体专业方向，导师：郑波教授)。2010年8月至2014年1月在香港理工大学郑子剑教授研究组从事博士后工作。2014年3月起，作为副教授受聘于深圳大学化学与环境工程学院。2017年1月起，任特聘研究员。研究兴趣包括柔性电子、高分子水凝胶、图案化技术、微流控等。

课题组网页： http://chemlab.szu.edu.cn/chemhome/teacher.php?id=107#Home

Email: xczhou@szu.edu.cn

团队在该领域工作汇总：

在液态金属研究领域研究中，先后报道了高弹性高机械灵活性的液态金属液滴Materials Horizons （2017, 4, 591-597.）、液态金属海绵全软导体（Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 1586-1590.）和冷冻热转印图案化技术（Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 6790-6797）。

相关优质文献推荐：

Yuzhen Chen, Zhou Liu, Deyong Zhu, Stephan Handschuh-Wang, Suqing Liang, Jinbin Yang, Tiantian Kong, Xiaohu Zhou，Yizhen Liua  and  Xuechang Zhou，Liquid metal droplets with high elasticity, mobility and mechanical robustness， Materials Horizons （2017, 4, 591-597.）

Tingjiao Zhou, Jinbin Yang, Deyong Zhu, Jieyao Zheng, Stephan Handschuh-Wang, Xiaohu Zhou, Junmin Zhang, Yizhen Liu, Zhou Liu, Chuanxin He and Xuechang Zhou，You have full text access to this OnlineOpen articleElastic Sponges: Hydrophilic Sponges for Leaf-Inspired Continuous Pumping of Liquids，Advanced Science （2017, 4, 1700028.）,

Suqing Liang, Yaoyao Li, Tingjiao Zhou, Jinbin Yang, Xiaohu Zhou, Taipeng Zhu, Junqiao Huang, Julie Zhu, Deyong Zhu, Yizhen Liu, Chuanxin He, Junmin Zhang and Xuechang Zhou, You have full text access to this OnlineOpen articleMicrofluidic Patterning of Metal Structures for Flexible Conductors by In Situ Polymer-Assisted Electroless Deposition, Advanced Science （2017, 4, 1600313.）

Y. Zhu, S. Handschuh-Wang, X. C. Zhou*, Recent Progress in Fabrication and Application of Polydimethylsiloxane Sponges, Journal of Materials Chemistry A（2017, 5, 16467-16497.）

B. Yang, T. J. Zhou, L. Y. Zhang, D. Y. Zhu, S. Handschuh-Wang, Z. Liu, T. T. Kong, Y. Z. Liu, J. M. Zhang, X. C. Zhou*, Defect-Free, High Resolution Patterning of Liquid Metals by Reversibly Sealed, Reusable Polydimethylsiloxane Microchannels for Flexible Electronic Applications, Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 6790-6797; 2017, 5, 1586-1590.）

Q. Liang, Y. Y. Li, Y. Z. Chen, J. B. Yang, T. P. Zhu, D. Y. Zhu, C. X. He, Y. Z. Liu, S. Handschub-Wang, X. C. Zhou*, Liquid Metal Sponges for Mechanically Durable, All-Soft, Electrical Conductors, Journal of Materials Chemistry C（2017, 5, 1586-1590.）

Z. Li, J. H. Wang, J. B. Yang, M. Y. Yang, D. Y. Zhu, X. H. Zhou, S. Handschuh-Wang, Y. Z. Liu, X. C. Zhou*, "Freezing", Morphing, and Folding of Stretchy Tough Hydrogels, Journal of Materials Chemistry B (2017, 5, 5726-5732.)

本文由材料人计算材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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