Durchbruch bei Flüssigmetallen kann Alltagsmaterialien in elektronische „intelligente Geräte“ verwandeln

Von Cell Press, 9. Juni 2023

Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um flüssiges Metall auf Oberflächen wie Papier und Kunststoff aufzutragen und diese alltäglichen Materialien in potenzielle „intelligente Geräte“ zu verwandeln. Zukünftige Bemühungen zielen darauf ab, die Anwendung auf verschiedene Oberflächen auszuweiten und intelligente Geräte aus mit dieser Methode behandelten Materialien zu konstruieren.

Chinesische Wissenschaftler haben eine Technik entwickelt, um alltägliche Materialien wie Papier und Kunststoff mit flüssigem Metall zu beschichten und so möglicherweise „intelligente Geräte“ zu schaffen. Die Methode, bei der der Druck angepasst wird, anstatt ein Bindemittel zu verwenden, ermöglicht es dem flüssigen Metall erfolgreich, an Oberflächen zu haften, was aufgrund der hohen Oberflächenspannung bisher eine schwierige Aufgabe war.

Everyday materials such as paper and plastic could be transformed into electronic “smart devices” by using a simple new method to apply liquid metal to surfaces, according to scientists in Beijing, China. The study, published June 9 in the journal Cell Reports<em>Cell Reports</em> is a peer-reviewed scientific journal that published research papers that report new biological insight across a broad range of disciplines within the life sciences. Established in 2012, it is the first open access journal published by Cell Press, an imprint of Elsevier." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Cell Reports Physical Science demonstriert eine Technik zum Aufbringen einer Flüssigmetallbeschichtung auf Oberflächen, die sich nicht leicht mit Flüssigmetall verbinden. Der Ansatz ist für den Einsatz im großen Maßstab konzipiert und kann in tragbaren Testplattformen, flexiblen Geräten und Soft-Robotik Anwendung finden.

„Früher dachten wir, dass flüssiges Metall nicht so leicht an nicht benetzenden Oberflächen haften kann, aber hier kann es nur durch Anpassen des Drucks an verschiedenen Oberflächen haften, was sehr interessant ist“, sagte Bo Yuan, Wissenschaftler bei Tsinghua Universität und Erstautor der Studie.

Wissenschaftler, die flüssiges Metall mit herkömmlichen Materialien kombinieren möchten, werden durch die extrem hohe Oberflächenspannung des flüssigen Metalls behindert, die verhindert, dass es sich mit den meisten Materialien, einschließlich Papier, verbindet. Um dieses Problem zu lösen, konzentrierten sich frühere Forschungen hauptsächlich auf eine Technik namens „Transferdruck“, bei der ein drittes Material verwendet wird, um das flüssige Metall an die Oberfläche zu binden. Diese Strategie hat jedoch Nachteile: Das Hinzufügen weiterer Materialien kann den Prozess verkomplizieren und die elektrische, thermische oder mechanische Leistung des Endprodukts schwächen.

Eine multifunktionale Origami-Struktur, die aus mit flüssigem Metall behandeltem Papier besteht. Bildnachweis: Cell Reports Physical Science/Yuan et al.

Um einen alternativen Ansatz zu erkunden, der es ihnen ermöglichen würde, flüssiges Metall direkt auf Substrate zu drucken, ohne die Eigenschaften des Metalls zu beeinträchtigen, trugen Yuan und Kollegen zwei verschiedene flüssige Metalle (eGaln und BilnSn) auf verschiedene Silikon- und Silikonpolymerstempel auf und übten dann beim Reiben unterschiedliche Kräfte aus die Stempel auf Papieroberflächen.

„Anfangs war es schwierig, eine stabile Haftung der Flüssigmetallbeschichtung auf dem Substrat zu erreichen“, sagte Yuan. „Aber nach vielen Versuchen hatten wir endlich die richtigen Parameter, um eine stabile, wiederholbare Haftung zu erreichen.“

Die Forscher fanden heraus, dass das Reiben des mit flüssigem Metall bedeckten Stempels gegen das Papier mit geringer Kraft dazu führte, dass sich die Metalltröpfchen effektiv an der Oberfläche festsetzten, während die Anwendung größerer Kraft verhinderte, dass die Tröpfchen an Ort und Stelle blieben.

Als nächstes faltete das Team das metallbeschichtete Papier zu einem Papierkran und demonstrierte so, dass die Oberfläche nach Abschluss des Vorgangs immer noch wie gewohnt gefaltet werden kann. Und auch danach behält das modifizierte Papier seine gewohnten Eigenschaften.

Obwohl die Technik vielversprechend erscheint, bemerkte Yuan, dass die Forscher immer noch herausfinden, wie sie garantieren können, dass die Flüssigmetallbeschichtung nach dem Auftragen an Ort und Stelle bleibt. Derzeit kann der Oberfläche des Papiers ein Verpackungsmaterial hinzugefügt werden, das Team hofft jedoch, eine Lösung zu finden, die dies nicht erfordert.

„So wie nasse Tinte auf Papier mit der Hand abgewischt werden kann, kann die flüssige Metallbeschichtung hier ohne Verpackung auch beim Auftragen von dem Objekt abgewischt werden, das sie berührt“, sagte Yuan. „Die Eigenschaften der Beschichtung selbst werden dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt, es kann jedoch zu einer Verschmutzung der berührten Gegenstände kommen.“

Zukünftig plant das Team auch, die Methode weiter auszubauen, sodass damit flüssiges Metall auf eine größere Vielfalt von Oberflächen aufgetragen werden kann, darunter Metall und Keramik.

„Wir planen auch, intelligente Geräte aus mit dieser Methode behandelten Materialien zu bauen“, sagte Yuan.

Referenz: „Direkte Herstellung von Flüssigmetall-Multifunktionspapier basierend auf kraftresponsiver Adhäsion“ von Yuan et al., 9. Juni 2023, Cell Reports Physical Science.DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101419

Diese Arbeit wurde von der China Postdoctoral Science Foundation, der National Nature Science Foundation of China und der Kooperationsfinanzierung zwischen Nanshan und Tsinghua SIGS in Wissenschaft und Technologie unterstützt.