《Adv.Mater.》封面：延伸率高達1500%！液態金屬製備可拉伸電極
大多數金屬是固態的，這讓少數在室温或接近室温下的液態金屬顯得與眾不同、特立獨行。它們同時具有金屬和液體的特性，在應力作用下容易流動，導電導熱性良好，還可以實現各種可變形、可拉伸、可重構的金屬部件，也因此廣泛應用於電極、傳感器、微流控通道等，近些年更是受到生物領域的關注。
液態金屬中，汞的應用最早，從温度計、氣壓計到電解池、滴汞電極，然而其易揮發性和毒性，也讓很多人談汞色變。金屬鎵幾乎無毒、粘度低、基本上沒有蒸汽壓、電導率較高（比鹽水大一個數量級），如果你的研究方向是半導體和器件製備，相信一定和鎵銦合金打過交道。儘管液態金屬天生就具有可變形性能，但目前卻很少用於柔性或可拉伸器件中作為微電路電極，這是因為它們的表面張力太高而難以在固態表面上鋪展，從而難以進行圖案化。
近日，韓國延世大學Cheolmin Park課題組在Advanced Materials發表文章，他們發現鎵銦合金（EGaIn）可以在包含具有大量羥基的脂肪族烷基鏈的化學交聯水凝膠的表面上鋪展，從而實現直接微圖案化。進一步，他們探究了鎵銦合金和水凝膠界面的相互作用，解釋了其良好抗拉伸性能的機理。相關論文被選為內封面（Inside Front Cover）。
Autonomous Surface Reconciliation of a Liquid-Metal Conductor Micropatterned on a Deformable Hydrogel
Jung-Eun Park, Han Sol Kang, Min Koo, Cheolmin Park
Adv. Mater.,2020,32, 2002178, DOI: 10.1002/adma.202002178
研究者採用了PHEA-co-PEGDA-80（PcP-80）水凝膠材料，該物質廣泛用於隱形眼鏡，最大拉伸率~1500%，並且其表面具有大量-OH基團。當鎵銦合金滴到PcP-80水凝膠表面時，接觸角~110°，隨着時間的推移，6小時後降至~38°，而且水凝膠表面-OH越多，浸潤性越好。
在柔性電子學中，器件形變導致電極的電導率發生改變，甚至出現不導電的問題，一直是制約其產業化的技術難題之一。當PcP-80水凝膠基底被拉伸時，鎵銦合金層會隨之變形，600%的應變範圍之內，電極的電阻幾乎沒有變化。即使形變達到1500%後，電阻也只增加了~2.3倍。1400個拉伸週期內，工作300小時後，電極電阻的變化均可以忽略不計。
該方法制備的電極，是如何具有如此良好的抗拉伸性能呢？研究表明，鎵銦合金表面會自發形成幾納米厚的Ga2O3氧化層，並和水凝膠上的-OH基團形成氫鍵。當水凝膠被拉伸時，-OH基團牽引鎵銦合金層，使其隨着基底的拉伸一起擴展，而液態金屬的流動性恰巧又滿足了這一過程。反之，釋放應變後，鎵銦合金層會隨水凝膠的收縮而收縮。
因此，水凝膠表面的-OH基團數量越多，電極的最大抗拉伸能力就越強。如果利用鹽酸處理鎵銦合金，消耗其與水凝膠之間的Ga2O3氧化層後，則不再具有類似的抗拉伸性質。而XPS等測試也證實了作者推測的這個機理。通過印章法，就可以在水凝膠上印製了各種形狀和大面積的微圖案電極，最小分辨率~100 µm。
優異的可拉伸性能，使這種電極在柔性可穿戴、可修復的電子產品中具有潛在的應用前景。例如，在最大應變為700%的重複循環下，電路可以穩健運行；利用尖頭鑷子戳水凝膠變形後，電路不會斷開，取消應力後還能恢復到初始狀態；拉伸電極並螺旋纏繞、在水中浸泡膨脹，都不影響電極的導電性能；甚至還具有自愈的能力。
利用鎵銦合金和水凝膠製備可拉伸電極，已經被數次報道。有趣的是，平日“不太受待見”的氧化層卻液態金屬帶來了新的機遇，也給界面科學帶來了新的挑戰。拉伸性能和導電能力兼而有之，可以使電極適應更多更復雜的機械環境，也為微電子技術向可拉伸、可穿戴產品的應用，提供了一個簡單易行的關於電極製備的方案。