維吉尼亞理工大學工程師解開液態金屬在柔性電子產品中形成電路的謎團

維吉尼亞理工大學的工程師研究了埋在柔性材料中的液態金屬滴如何連接成工作電路，這一長期困擾可伸縮電子產品的難題。答案在於當材料受到壓力時會出現的微小裂縫，這些裂縫隨後保持充滿金屬。該研究來自機械工程師邁克爾·巴特利特的實驗室，博士候選人朱伍周和休·P·格倫南為共同作者。此研究與巴特利特獲得的國家科學基金會的 CAREER 獎項相關。

液態金屬的重要性在於，可伸縮、彎曲或柔軟的電子產品，如可穿戴傳感器和形狀變化的機器人，通常依賴液態金屬來傳導電流。液態金屬複合材料結合了金屬的導電性和柔性材料的可塑性。巴特利特的團隊使用的液態金屬是共晶鎵鋁合金，該合金在室溫下保持液態。在顯微鏡下，它看起來像一堆微小的球體，當這些球體接觸時，它們會合併成電流的通道。一種聚合物或橡膠將液滴固定在適當位置，但該材料也填補了它們之間的空隙。

這就提出了一個謎題：如果絕緣體位於液滴之間，電流如何通過？

揭示液態金屬的導電機制

巴特利特表示，世界各地的研究人員多年來一直利用機械壓力將此類複合材料轉變為導體，但卻未能理解其內部發生了什麼。他指出，研究的目標是揭開使孤立的液態金屬滴突然變成電網的物理機制。團隊利用顯微鏡和三維 X 射線成像觀察材料在壓縮過程中發生的變化。當材料受到壓力時，鄰近液滴之間的材料會出現裂縫，液態金屬流入這些空隙。在壓力釋放後，金屬留在裂縫中，形成電流可以通過的通道。

朱伍周表示，團隊在二維中觀察了這一過程，隨後在三維中重建了這些通道，以查看當地裂縫如何增長成為導電網絡。研究人員還建立了一個數學模型，預測使材料具導電性所需的力量。這一模型適用於多種設計，從毫米大小的液滴（約 0.04 英寸）到寬度僅幾十微米（幾千分之一英寸）的液滴。格倫南指出，將通道形成與斷裂力學模型聯繫起來，意味著研究人員現在可以「設計在必要的力量和長度尺度下激活的液態金屬複合材料」。

應用於柔性電子產品的設計

該框架可以幫助製造商控制在可伸縮傳感器、可穿戴電子產品和柔性機器人中導電性形成的位置。由於該機制現在已被理解，設計者可以利用它來指導材料設計和製造。巴特利特表示，這為軟性電子系統打開了大門，在這些系統中，導電性可以通過材料架構和設備處理方式進行編程。該研究發表在期刊《Matter》上。

液態金屬在柔性電子的應用潛力

液態金屬的研究對柔性電子產品的發展至關重要，因為它們能夠在可穿戴技術和形狀變化的機器人中提供必要的導電性。隨著研究揭示液態金屬滴如何在壓力下形成電路，設計者能夠更精確地控制導電性的位置，這將促進新一代可伸縮電子系統的創新。透過數學模型的建立，未來的材料設計將能夠以更高的效率和靈活性來滿足市場需求，進一步推動柔性電子技術的應用。