近日，我院白华教授与胡晓兰副教授在液态金属的3D打印研究方向取得重要进展，相关成果以“High internal phase emulsions gel ink for direct-ink-writing 3D printing of liquid metal”为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications, 2024, 15:4806）。
随着3D打印技术在柔性电子器件的设计和制造领域中的不断应用与发展，液态金属的3D打印技术，尤其是挤出型的3D打印技术，引起了极大的关注。然而，液态金属的低粘度和高表面张力使其不适用于挤出型3D打印，因此需要对其流变特性进行调控。目前的解决办法是将液态金属分散进聚合物基体内（如PVA溶液、聚二甲基硅氧烷），形成复合导电油墨，尽管这些墨水具备剪切变稀的特性，能够顺利从打印针头挤出，但仅能实现在平面基底上的图案打印，打印线条极易蠕变，无法进行高度上堆叠。此外，液态金属油墨的可打印性与导电激活之间也存在矛盾，快速实现复合油墨中液态金属阈渗的方法仍需要进一步研究。
针对上述问题，白华教授与胡晓兰副教授团队提出了利用液态金属与Carbopol凝胶复合制备高内相乳液凝胶的策略，将其作为直接墨水书写3D打印的墨水。Carbopol分子能够与液态金属氧化层产生配位作用，在液态金属液滴表面形成吸附的凝胶层，使体积分数高达87.5%的液态金属能够稳定分散在凝胶中，形成高内相乳液凝胶结构。该材料具有出色的弹性行为（10 Pa剪切应力下，其储能模量和损耗模量分别为39500 Pa和2070 Pa）和剪切变稀的流变特性。团队提出了凝胶层在微粒受剪切时产生润滑作用的概念，润滑作用保证了高内相乳液凝胶内部紧密堆积的结构在受到剪切力时不会破坏。利用该材料，团队实现了具有高分辨率（210 μm）的立体结构打印，成功实现了液态金属在高度维度上的堆叠成型。
图1：液态金属高内相乳液凝胶墨水的制备流程及形成原理
此外，团队进一步探究了对该液态金属高内相乳液凝胶墨水的导电激活，在该材料中，液体金属微粒呈多面体型紧密堆积，液态金属氧化层及Carbopol作为其界面，因此材料本身并不导电，但由于界面薄（＜5 nm）且脆的结构特点，使其在5.0%的应变下，以及-29.3 ℃的低温环境下，即可实现材料的电活化，活化后材料的电导率在2.0 × 105 S m–1之上。同时，利用液态金属在电解质凝胶连续相中的电毛细行为，团队首次实现了通过施加电场来激活油墨导电，打印的线条（d = 210 μm，L = 3 cm）在15 V的电压下仅需0.58 s即可实现导电激活。这种全新的液态金属墨水导电方式，扩大了液态金属高内相乳液凝胶墨水在刚性表面和各种环境条件下的应用。
图2：液态金属高内相乳液凝胶墨水的3D打印
最后，团队实现了液态金属导电线路在柔性基底的3D打印，并首次实现了在非平面结构(0° ~ 90°)上3D打印液态金属导线，这将扩大液态金属在复杂结构器件上的应用，如柔性电子设备，可伸缩天线等。该材料可作为一种直接墨水书写型3D打印的通用导电油墨，通过实现液态金属导电油墨与其他材料交替打印，展现了一体化打印柔性电子器件的潜力。
文章第一作者是材料学院2022级博士生林泽文。研究工作得到国家自然科学基金(21975210, 22179115)、福建能源材料科学与技术创新实验室(IKKEM(HRTP-[2022]-44)的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48906-w
