镓及其合金是一类熔点低于室温的液态金属材料，同时具备液体的高流动性和金属材料的高导电和导热性能，在柔性电子和热管理等领域有潜在应用价值。将液态金属均匀沉积和铺展至柔性基底上是实现其应用的重要前提之一。然而，液态金属的高表面张力以及其对柔性基底的弱粘附作用，不仅阻碍了液态金属在柔性基底上的沉积和铺展，还影响器件的稳定性和使用寿命。

图1. 大面积液态金属薄膜的制备及结构表征

近日，深圳大学周学昌教授课题组在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了关于大面积共形粘附的液态金属薄膜和图案的制备及应用研究。他们发明了一种明胶凝胶辅助液态金属液滴沉积方法，可以将液态金属均匀沉积和铺展到各种柔性基底上。该方法主要包含四个步骤：液态金属微米液滴可控沉积、明胶水溶液的凝胶化、凝胶的增韧、液滴的烧结。所制备的液态金属薄膜具有三层结构：最底层是嵌入了液态金属微米液滴的韧性明胶凝胶层，可作为粘接层提高液态金属与基底的粘接性；中间层为连续的液态金属层，具有高导电性和导热性；最上层为液态金属氧化层，能够降低液态金属的表面张力，能够使液态金属薄膜能够均匀地铺展在柔性基底上，而不会因高表面张力而发生液滴的聚集。因此，这种液态金属薄膜具有高拉伸率（900%的应变）、高机械稳定性、高导电性（4.35 × 10⁵ S/m），对各种基底都有较强的粘附作用。

图2. 在各种基底上沉积的液态金属薄膜及图案

由于明胶凝胶粘接层的存在，该方法可以将液态金属和图案均匀沉积和铺展到各种类型的基底上，包括：塑料薄膜、织物、金属薄膜、玻璃、树叶等。该方法还可以制备尺寸为280 mm × 200 mm的大面积液态金属薄膜，以及长度达到1000 mm的液态金属导电胶带。

图3.液态金属薄膜的电学性能表征及其在柔性传感、界面散热、可回收利用等应用。

该液态金属薄膜具有良好的机械稳定性，对各种基底都有较强的粘附作用。在未封装的情况下，基底被拉伸时，液态金属薄膜随之同步形变，薄膜没有出现损坏、脱落、液态金属泄漏等问题，仍保持良好的导电性能。经过五千次的应变为200%的拉伸-释放循环，液态金属薄膜的导电性基本没有发生变化。可见，该液态金属薄膜具有良好的机械性能和导电性能，是设计和制备柔性可穿戴器件的理想柔性导体之一。由于液态金属的流体性质和高导热性，该液态金属薄膜还可用作柔性可拉伸的均热和散热界面，应用于柔性器件的散热。器件产生热量可以在液态金属薄膜的平面内快速扩散，进而拥有更大的散热面积，实现高效散热。即使在弯曲和拉伸状态下，该液态金属薄膜仍具备良好的热传导性能和散热效果。不仅如此，该液态金属薄膜还可回收利用。

研究团队提出了一种明胶凝胶辅助的液态金属液滴沉积方法，利用明胶凝胶调控液态金属微米液滴的沉积和烧结，在各种基底上制备了粘附性强、导电和导热性高、机械性能优异的大面积液态金属薄膜和图案，并展示了其在柔性器件、散热界面等方面的应用。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，深圳大学甘田生博士为文章的第一作者，周学昌教授为通讯作者。

周学昌教授，博导，深圳大学特聘教授，国家优秀青年基金、广东省杰出青年基金获得者，深圳市海外高层次人才（孔雀计划B类）。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，2005-2010年在香港中文大学化学系学习获硕士、博士学位。2010年8月至2014年1月在香港理工大学从事博士后工作。2014年2月，加入深圳大学化学与环境工程学院。长期致力于高分子表界面、柔性电子、生物传感与健康运动监测等领域的多学科交叉研究。近年来，在自粘附柔性导电界面、韧性凝胶防雾抗冰界面、液态金属瞬态柔性电子等方向积累了一定的经验。在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.等期刊上发表SCI收录论文100余篇，被引用4000余次。已授权中国发明专利15项，研究成果获第二十一、二十二届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖。

课题组主页：

https://chem.szu.edu.cn/szdw/jxdanwe/hxx/tpjs/zxc.htm 

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ACS Applied Materials & Interfaces. 2022, ASAP

Publication Date: September 6, 2022

https://doi.org/10.1021/acsami.2c12880 

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