Ménisque rapide

May 31, 2024

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2643 (2022) Citer cet article

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Le métal liquide est considéré comme un matériau prometteur pour l’électronique douce en raison de sa combinaison distincte de conductivité électrique élevée comparable à celle des métaux et d’une déformabilité exceptionnelle dérivée de son état liquide. Cependant, l’applicabilité du métal liquide est encore limitée en raison de la difficulté d’atteindre simultanément sa stabilité mécanique et sa conductivité initiale. De plus, la modélisation fiable et rapide d’un métal liquide stable directement sur divers substrats mous à haute résolution reste un formidable défi. Dans ce travail, l'impression guidée par le ménisque d'une encre contenant des particules microgranulaires de métal liquide fixées à un polyélectrolyte dans un solvant aqueux pour générer du métal liquide semi-solide est présentée. Les particules microgranulaires de métal liquide imprimées en régime d'évaporation sont mécaniquement stables, initialement conductrices et modelables jusqu'à 50 μm sur divers substrats. Les démonstrations du circuit électrique ultra-extensible (~ 500 % de contrainte), de l'e-skin personnalisé et du capteur ECG zéro déchet valident la simplicité, la polyvalence et la fiabilité de cette stratégie de fabrication, permettant une large utilité dans le développement d'une électronique douce avancée.

Avec la demande croissante d'appareils électroniques pouvant être appliqués aux écrans portables, aux peaux électroniques (e-skin) et aux appareils de santé portables, l'électronique douce personnalisée à haute extensibilité reçoit beaucoup d'attention1,2,3,4,5,6. Contrairement aux stratégies conventionnelles de modélisation utilisant des masques rigides (par exemple, sérigraphie, photolithographie), la modélisation additive basée sur des masques numériques, telle que l'impression à jet d'encre, permet la fabrication rapide et rentable de dispositifs électroniques de conceptions diverses7,8,9,10. De plus, étant donné que les motifs basés sur des masques rigides ne sont pas compatibles avec les substrats souples, l’impression additive a été considérée comme plus appropriée pour la fabrication polyvalente d’électronique douce.

Un matériau conducteur et un processus d'impression idéaux pour l'électronique souple et extensible nécessitent simultanément (1) une conductivité élevée, (2) une haute résolution, (3) une extensibilité élevée, (4) une stabilité mécanique, (5) un traitement rapide simple en une étape et ( 6) imprimabilité sur divers substrats. En tant que candidats, les matériaux 1/2D, les polymères conducteurs et les matrices incorporant des particules métalliques ont été étudiés11,12,13,14,15. Cependant, ces matériaux présentent des limites pour une utilisation en tant que composants électroniques à étirement doux, en raison de leur faible conductivité par rapport aux métaux et/ou de leur déformabilité mécanique insuffisante. Le métal liquide (LM) à base de gallium surmonte ces limitations grâce à ses combinaisons uniques de conductivité et de déformabilité élevées au niveau du métal. Cependant, l'instabilité mécanique du LM, en raison de sa fluidité, entrave son applicabilité pratique, car le contact direct avec d'autres matériaux (par exemple les composants électroniques, la peau) est limité19.

Pour surmonter les inconvénients mentionnés ci-dessus du LM en vrac, une approche basée sur les particules de LM a été activement étudiée, dans laquelle la couche d'oxyde externe peut restreindre son comportement de type fluide . Cependant, la formation de la couche d'oxyde natif détériore la conductivité électrique puisque l'oxyde est un isolant. Par conséquent, après la formation du motif, un traitement supplémentaire tel qu'un lavage mécanique, une contrainte de traction ou une gravure chimique est nécessaire pour rompre ou éliminer la couche d'oxyde10,22,23,24,25. Cependant, cela reconvertit les particules de LM en LM en vrac, réintroduisant ainsi les problèmes rencontrés avec le LM en vrac. De plus, la nécessité d'un traitement supplémentaire introduit potentiellement des zones défectueuses (par exemple ouvertes ou court-circuitées), générant ainsi des incertitudes qui rendent le processus de fabrication peu fiable. Pour résoudre ce problème, Jeong et al. a récemment rapporté des microparticules de métal liquide intrinsèquement conductrices par dopage à l'hydrogène, qui peuvent être modelées par impression par buse26. Bien que les particules métalliques liquides dopées présentent une conductivité électrique intrinsèque fiable tout en conservant leur stabilité, une configuration à haute résolution n’a pas été démontrée. De plus, l'encre à base de solvants organiques et la nécessité de recuire à des températures élevées pendant une période prolongée (120 °C, 3 h) restreignent le type de substrat pouvant être utilisé et limitent la rapidité de fabrication. Par conséquent, malgré les nombreux efforts, les exigences critiques mentionnées ci-dessus concernant les matériaux conducteurs imprimés pour l’électronique souplement étirable n’ont pas encore été satisfaites.