微纳金属3D打印技术应用:AFM探针

我们发明了一种独特的液态金属-矽胶墨水并提出相应的多材料3D打印工艺,用来制造全打印的液态金属基柔性电子设备

论文第一作者:周璐瑜;

通讯作者单位:浙江大學机械工程学院

推荐人:李浩然(化学系教授)

近年来,具有出色的可变形性和环境适应性的柔性电子设备在软机器人人机接口等领域展现出了巨大的潜力。在各类柔性导电材料中液态金属由于其高导电性和本征可拉伸性而被广泛使用。

受限于液态金属大的表面张力和低的粘度当前很难用一种简单的方式高效、高精度的打印液态金属此外液态金属的强流动性也使得在局部破坏发生时极易产生泄漏,进而导致柔性器件的失效这些问题严重限制了液态金属基柔性电子设备的制造和应用。

课题组一直在思考如何在保持液态金属优异特性基础上解决这些应用瓶颈我们猜测将液态金属变成能与柔性基底产生粘接的混合物是否能解决这些问题,开始近两年的液态金属-硅胶墨水的研究然而在反复试验后,尽管配置的墨水的确能够与硅胶基底产生粘接但是和我们预设相反的是它打印出来后几乎不导电,这讓我们的研究停滞不前甚至一度打算放弃。

后来我们决定搞清楚不导电的原因通过深入分析液态金属-硅胶墨水的微观结构,发现其分散后的液态金属微滴被硅胶阻隔不能够手拉手实现导电,而令人兴奋的是因为液态金属具有流动性,只要液态金属微滴之间的距离足夠近它们之间的阻隔就能被机械力破坏从而连接导电!但是如何拉近它们之间的距离呢?如果只是简单的混合液态金属含量太低了就無法激活,液态金属含量太高就无法有效分散那么将低浓度的混合物浓缩不就可以解决这个问题了吗?在尝试之后我们发现在离心浓縮之后液态金属微滴的确紧紧地挤在了一起,在固化后用手轻轻一压就能导电!就这样,几番波折我们才找到这种方案能够同时解决液态金属难打印和易泄露的局限性。

针对上述挑战课题组发明了一种独特的液态金属-硅胶墨水,相应的多材料3D打印工艺可以制造全打印嘚液态金属基柔性电子设备

这种液态金属-硅胶墨水是一种液态金属微滴和硅胶的浓缩混合物,具有独特的电气性能初始状态不导电泹在机械激活(按压或冷冻)后导电。激活后的液态金属-硅胶墨水继承了液态金属出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应是┅种理想的柔性导电材料。同时该墨水还具备出色的可打印性,能够在用简单的挤出打印设备实现柔性电路的高速度、高精度打印此外,由于与常用的柔性材料——硅胶具有相同的组分液态金属-硅胶墨水能与硅胶基底形成可靠的粘接,从而避免了局部破坏时导电材料嘚泄漏提高了柔性器件的可靠性。液态金属-硅胶墨水的这些优点使得高效、高精度的打印高度可靠的液态金属基柔性电子器件成为了可能

图:液态金属-硅胶墨水的制备和相应的多材料3D打印工艺

图:使用液态金属-硅胶墨水和相应的多材料打印工艺打印的柔性电子器件

图:利用液态金属-硅胶墨水独特的激活特性制造的按压/冰冻开关

我们通过特殊的墨水设计及多材料打印工艺解决了液态金属难以打印,液态金屬易泄漏的难题实现了基底及电路全部采用3D打印一次性成形。

本研究来自于课题组在3D打印领域长时间的积累及对细节的刨根问底课题組自2016年布局可穿戴设备这一领域,希望从制造层面解决一些瓶颈问题17年针对液态金属难以直接打印,我们提出了液态金属/柔性材料的共苼打印通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属时刻接触,抑制液态金属的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属3D打印(ACS

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微针阵列由于其方便和降低感染風险在药物输送应用中显示出许多优势。与其他微尺度制造方法相比3D打印技术可以很容易地克服复杂几何形状和多功能性能的微针制慥难题。然而由于材料特性和打印能力的限制,三维打印微针在实现各种临床应用所需的机械性能方面仍然存在瓶颈帽贝牙齿的层次結构非常坚固,被誉为地球上最强的生物材料这是由矿化组织的排列纤维和基于蛋白质的聚合物增强框架形成的。这些结构为机械增强苼物医学微针提供了设计灵感

1在打印过程中,排列整齐的微束氧化铁纳米粒子(aIOs)被聚合物基体包裹

2制备了一种具有生物启发性嘚3D打印的无痛微针阵列,并证明了这种微针贴片在长期佩戴期间适用于药物输送此处报告的结果为临床试验中如何优化微针的几何形态鉯实现无痛药物输送提供了见解。

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金属微纳结构是一种全新的微纳米尺度金属制造工艺应用范围包括以下几个前沿科技领域:
科研工具领域,制备加强AFM探针在原基础上制备出精度更高的微纳米级针尖。
半导体领域制备更小线径的三维铜引线,可以将目前最小的15μm线径工艺缩小至1μm
尖端通信领域,制备微纳米级别的任意新型5G通信天線
生命科学领域,参与到微纳米级医疗工具的研发中制备5微米以下的血管支架,微纳米金属磁控机器人、纳米金属微针等前沿诊疗工具助力精准医疗实现。

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