Menisco rápido

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2643 (2022) Citar este artigo

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O metal líquido está sendo considerado um material promissor para a eletrônica leve devido à sua combinação distinta de alta condutividade elétrica comparável à dos metais e deformabilidade excepcional derivada de seu estado líquido. Contudo, a aplicabilidade do metal líquido ainda é limitada devido à dificuldade em alcançar simultaneamente a sua estabilidade mecânica e condutividade inicial. Além disso, a padronização rápida e confiável de metal líquido estável diretamente em vários substratos macios em alta resolução continua sendo um desafio formidável. Neste trabalho, é apresentada a impressão guiada por menisco de tinta contendo partículas microgranulares de metal líquido ligadas a polieletrólito em um solvente aquoso para gerar metal líquido no estado semi-sólido. A partícula microgranular de metal líquido impressa no regime evaporativo é mecanicamente estável, inicialmente condutora e padronizada até 50 μm em vários substratos. Demonstrações do circuito elétrico ultraextensível (~500% de tensão), e-skin personalizado e sensor de ECG com desperdício zero validam a simplicidade, versatilidade e confiabilidade desta estratégia de fabricação, permitindo ampla utilidade no desenvolvimento de eletrônica suave avançada.

Com a crescente demanda por dispositivos eletrônicos para aplicabilidade em displays vestíveis, pele eletrônica (e-skin) e dispositivos de saúde vestíveis, os eletrônicos macios personalizados com alta elasticidade estão recebendo muita atenção1,2,3,4,5,6. Ao contrário das estratégias convencionais de padronização usando máscaras rígidas (por exemplo, serigrafia, fotolitografia), a padronização aditiva baseada em máscara digital, como a impressão a jato de tinta, permite a fabricação rápida e econômica de dispositivos eletrônicos de vários designs . Além disso, uma vez que a padronização baseada em máscara rígida não é compatível com substratos macios, a impressão aditiva tem sido considerada mais apropriada para a fabricação versátil de eletrônicos leves.

Um material condutor ideal e um processo de impressão para eletrônicos macios e extensíveis requerem simultaneamente (1) alta condutividade, (2) alta resolução, (3) alta extensibilidade, (4) estabilidade mecânica, (5) processamento rápido simples em uma etapa e ( 6) capacidade de impressão em vários substratos. Como candidatos, materiais 1/2D, polímeros condutores e matriz incorporada em partículas metálicas foram investigados . No entanto, esses materiais apresentam limitações para uso como eletrônicos macios e extensíveis, devido à sua baixa condutividade em comparação aos metais e/ou deformabilidade mecânica insuficiente. O metal líquido (LM) à base de gálio supera essas limitações devido às suas combinações únicas de alta condutividade e deformabilidade no nível do metal . Porém, a instabilidade mecânica do ML, devido à sua fluidez, dificulta sua aplicabilidade prática, pois o contato direto com outros materiais (por exemplo, componentes eletrônicos, pele) é limitado19.

Para superar as desvantagens mencionadas acima do LM em massa, a abordagem baseada em partículas LM tem sido ativamente estudada, onde a camada externa de óxido pode restringir seu comportamento semelhante ao fluido . Contudo, a formação da camada de óxido nativo deteriora a condutividade elétrica, uma vez que o óxido é um isolante. Portanto, após a padronização, é necessário um processamento adicional, como lavagem mecânica, tensão de tração ou ataque químico, para romper ou remover a camada de óxido10,22,23,24,25. Isto, no entanto, converte as partículas LM de volta em LM em massa, reintroduzindo assim os problemas enfrentados com LM em massa. Além disso, a necessidade de processamento adicional potencialmente introduz áreas defeituosas (por exemplo, abertas ou em curto), gerando assim incertezas que tornam o processo de fabricação pouco confiável. Para lidar com este assunto, Jeong et al. relataram recentemente micropartículas de metal líquido intrinsecamente condutoras por dopagem com hidrogênio, que podem ser padronizadas por impressão de bico . Embora as partículas de metal líquido dopado apresentem condutividade elétrica intrínseca confiável, mantendo sua estabilidade, a padronização de alta resolução não foi demonstrada. Além disso, a tinta à base de solvente orgânico e a necessidade de recozimento em altas temperaturas por um longo período de tempo (120 °C, 3 h) restringem o tipo de substrato que pode ser usado e limitam a fabricação rápida. Portanto, apesar dos numerosos esforços, os requisitos críticos acima mencionados para material condutor impresso para produtos eletrônicos extensíveis e macios ainda não foram atendidos.