Жидкий металл может превратить бумагу и пластик в “умные устройства”

Ученые из Китая разработали новый метод нанесения жидкого металла на поверхности таких материалов, как бумага и пластик, превращая их в потенциальные “умные устройства”. Метод, который заключается в регулировании давления, а не в использовании связующего материала, успешно позволяет жидкому металлу прилипать к поверхностям, что ранее было сложной задачей из-за высокого поверхностного натяжения.

Повседневные материалы, такие как бумага и пластик, могут быть превращены в электронные “умные устройства” с помощью простого нового метода нанесения жидкого металла на поверхности, сообщают ученые из Пекина, Китай. Исследование, опубликованное 9 июня в журнале Cell Reports Physical Science, демонстрирует технику нанесения покрытия из жидкого металла на поверхности, которые не легко соединяются с жидким металлом. Подход предназначен для работы в крупном масштабе и может иметь применение в области носимых тестовых платформ, гибких устройств и мягкой робототехники.

“Раньше мы думали, что невозможно заставить жидкий металл прилипать к немокрым поверхностям так легко, но здесь он может прилипать к различным поверхностям только за счет регулирования давления, что очень интересно”, - сказал Бо Юань, ученый из Цинхуа-университета и первый автор исследования.

Ученые, стремящиеся сочетать жидкий металл с традиционными материалами, столкнулись с проблемой чрезвычайно высокого поверхностного натяжения жидкого металла, которое мешает ему соединяться с большинством материалов, включая бумагу. Чтобы преодолеть эту проблему, предыдущие исследования в основном фокусировались на технике, называемой “печать с переносом”, которая заключается в использовании третьего материала для связывания жидкого металла с поверхностью. Но эта стратегия имеет недостатки - добавление большего количества материалов может усложнить процесс и может ослабить электрическую, тепловую или механическую производительность конечного продукта.

Многофункциональная оригами-структура из бумаги, обработанной жидким металлом. Кредит: Cell Reports Physical Science/Yuan et al.

Чтобы исследовать альтернативный подход, который позволил бы им напрямую печатать жидкий металл на подложках, не жертвуя при этом свойствами металла, Юань и его коллеги нанесли два разных жидких металла (eGaln и BilnSn) на различные штампы из силикона и силиконового полимера, затем применяли разные силы, когда натирали штампы о бумажные поверхности.

“Сначала было трудно обеспечить стабильное сцепление покрытия из жидкого металла с подложкой”, - сказал Юань. “Однако, после множества проб и ошибок, мы наконец подобрали правильные параметры для достижения стабильного, повторяемого сцепления”.

Ученые обнаружили, что натирание штампа, покрытого жидким металлом, о бумагу с небольшим количеством силы позволяло каплям металла эффективно связываться с поверхностью, в то время как применение больших количеств силы мешало каплям оставаться на месте.

Профессор Курош Калантар-Заде сказал, что открытие теперь ставит ранее невидимые тонкие оксидные материалы в повседневную доступность, что имеет глубокие последствия для будущих технологий.

"Мы предсказываем, что разработанная технология применима к примерно трети периодической таблицы. Многие из этих атомарно-тонких оксидов являются полупроводниковыми или диэлектрическими материалами.

“Полупроводниковые и диэлектрические компоненты являются основой современных электронных и оптических устройств. Работая в атомарном масштабе с такими материалами, мы можем создавать новые типы уникальных и необычных компонентов для электронных устройств”, - сказал он.

Где еще используется жидкий металл?

• Жидкий металл может использоваться в качестве термического интерфейса между охладителями и процессорами из-за его высокой теплопроводности. Консоль для видеоигр PlayStation 5 использует жидкий металл для охлаждения высоких температур внутри консоли.
• Жидкий металл может использоваться для создания двумерных материалов, которые не существуют в природе, путем растворения металлов в жидком металле и последующего отделения тонких слоев оксида. Эти материалы могут быть использованы в качестве компонентов транзисторов в современной электронике.
• Жидкий металл может использоваться для создания гибких и растяжимых электронных устройств, таких как датчики, светодиоды, антенны и дисплеи. Жидкий металл может изменять свою форму и функцию в зависимости от приложенного напряжения или магнитного поля.
• Жидкий металл может использоваться для создания жидкометаллических реакторов, которые используют жидкий металл в качестве теплоносителя и модератора нейтронов. Это позволяет повысить эффективность и безопасность ядерных реакторов.