作者 | 張雙虎
在清華大學醫學微系統技術實驗室寬大的操作檯上，擺放著兩個大燒杯，其中一個盛著乳白色的高分子塗料——PMA glue，另一個裝滿泛著銀光的液態金屬鎵銦合金。
實驗人員操作機械臂，將尼龍材質的東方明珠塔模型緩緩浸入高分子塗料中，之後再緩緩提起，隨後，又用同樣的手法將模型放進鎵銦合金中再拿出。前後約15秒鐘，東方明珠塔模型就身披銀裝，完成了一次液態金屬“墨水”的3D列印過程。
“以往的塑膠或聚合物類3D列印結構件不具備電子功能，因而無法滿足現實中對某些特殊功能的需求。”清華大學教授、中國科學院理化技術研究所研究員劉靜對《中國科學報》說，“這項工作相當於為傳統的3D列印賦予了特定功能，在實際應用中具有重要意義。”
透過對液態金屬功能材料進行改造，並結合3D列印技術，劉靜團隊開發出一種基於液態金屬選擇黏附性的3D電路轉印技術。相關研究近日發表於《今日應用材料》。
轉印上鎵銦合金的樣品 受訪者供圖
找到特殊的“墨水”
增材製造即3D列印，不需要傳統工具及繁瑣的加工程式，就能完美解決複雜零件加工成型的問題，因而在航空航天、文物保護、醫療健康等領域嶄露頭角。
多功能電子器件或系統大多是三維立體結構，其組成單元由各種金屬或非金屬電子材料構築而成。而以3D列印手段直接層疊式打印出立體終端電子產品，一直是學術界和工業界無法解決的難題。
“傳統的3D列印主要基於塑膠、聚合物一類的材料，由此打印出的物件一般並不具備電子功能。”劉靜說，“而經典的金屬3D列印針對的是高熔點金屬粉末或線材，它們由於與非金屬材料存在巨大熔點差而難以實現複合列印。”
近年來，隨著液態金屬印刷電子學的發展，以低熔點金屬鎵為基礎的室溫液態金屬合金材料逐漸進入人們視野，在柔性電子、二維材料製備、智慧機器等領域得到廣泛研究和應用。
劉靜團隊長期從事液態金屬相關研究，在液態金屬二維電子材料製備方面有豐厚的積累。看到3D列印電子裝置存在的侷限性，他隱約意識到，在立體電子製造領域，液態金屬有可能發揮獨特作用。
為實現這一構想，劉靜團隊首先利用3D列印技術製作出一系列複雜的立體結構，並在這種立體結構表面，覆蓋對液態金屬材料具有較高黏附性的高分子塗層，然後將其浸潤到液態金屬中，從而實現液態金屬在立體結構表面的附著。
對於這項研究，論文審稿專家評論說：“（該團隊）對可重構3D電子裝置、可逆剛度機器人和可拉伸電子裝置的製造方案演示，說明該方法具有廣泛適用性。這項工作描述得很好、很紮實，代表了最先進3D功能裝置技術的重大進步。”
讓液態金屬“站起來”
液態金屬是一類低熔點的合金材料，可以在室溫環境中保持液體形態。
雖然液態金屬有可能在三維立體電路製備中大顯身手，但目前大多數工藝採用“流道灌注”方式，將液態金屬封裝在三維模型中。
“在這些研究中，液態金屬僅充當導電介質，無法以其獨特介面效能實現在三維立體電路中的應用。”論文第一作者、清華大學博士國瑞告訴《中國科學報》。
研究人員在實驗中發現，用於3D列印的液態金屬——鎵銦合金在室溫下受重力影響，難以穩定地附著在立體結構表面。要想在實際中應用該技術必須讓液態金屬在3D列印時能穩定地“站起來”。
“我們在研究中發現，3D列印工藝製作的立體結構由顆粒熔融堆積而成，因此具有粗糙的表面形貌。這種粗糙的表面使得液態金屬難以附著。”國瑞說。
經過多次實驗，研究人員發現，事先將具有較高黏附性的高分子塗層塗抹在3D列印器件上，就可以將鎵銦合金材料“粘”在列印器件上。此外，對鎵銦合金進行特殊處理，在降低其流動性的同時提高黏附性，可以使其穩定維持在立體結構表面。
記者看到，在實驗室一側的陳列櫃中，擺放著十幾種不同材質的器件，都是轉印上鎵銦合金的樣品。其中有塑膠材質的思想者雕像、木質的小人、聚乙烯小球、金字塔模型、菜園裡摘下的葫蘆甚至各種紡織品。
“這種經過改良的鎵銦合金具有極佳的適形性。”國瑞說，“無論什麼材質或形狀的三維列印物品，只要在其表面提前塗抹特殊的高分子塗層，鎵銦合金都會均勻沉積，並牢牢黏附其上。”
基於上述原理，研究人員實現了對複雜結構立體電路的轉印製備。
“這種鎵銦合金的外形，取決於高分子層塗敷的形狀、圖案和部位。”劉靜說，“藉助機器或手工，很容易實現各種鎵銦合金圖案、花紋的印製。”
比如，用3D打印出任意形狀的器具後，可藉助特定筆刷或機器手，將高分子塗層繪製到物體表面，然後就能輕鬆將鎵銦合金轉印上去，整個過程簡單快捷。
巧妙融合激發行業活力
研究人員發現，附著在立體結構表面的液態金屬塗層還可以與周圍的液態金屬塗層形成“液橋”，從而實現金屬焊接的效果。
“利用這種現象，將相同尺寸的立體結構單元進行堆積組合，可以構建出更復雜的立體結構。而且，各單元之間的液態金屬塗層可形成穩定的導電通路，實現可組裝的立體電路。”
劉靜一邊介紹，一邊將展示櫃上一個金字塔模型的電路接通。隨即，一排連線在鎵銦合金電路上的LED燈珠閃起了綠光。
這種“高分子塗層+液態金屬”的結構可透過適當封裝，增強其穩定性。因為塗層很薄，封裝後的鎵銦合金不僅不會洩漏和流淌，還能滿足一些柔性物品的特殊要求，在保持電子效能的同時形狀改變。
“當然，如果電子裝置需要一定強度，還可以採用不同熔點的液態金屬墨水，實現印刷後即固化。”劉靜補充說，“將液態金屬塗層覆蓋在柔性矽膠結構表面，可利用液態金屬材料在不同溫度下的相變特性，實現立體結構可調控的力學效能。”
“從安全性上看，此類材料在環境下很難蒸發。如果沒有大劑量面板接觸、吞嚥、停留體內等情況，使用起來是比較安全的。”國瑞補充說。
液態金屬3D列印技術將機械製造和電子製造巧妙結合在一起，製造過程便捷、成本低廉，具有較高的個性化特點，因此有望在藝術設計、文化創意、消費電子甚至大中小學電子工程教育普及方面得到廣泛應用。
“除本身的電子工程學意義外，這項研究還為三維立體功能電子器件快速製造提供了一種重要且易於規模化普及的實用技術。”劉靜說，“該技術具有非常強的實用性，有望賦能3D列印行業，推動傳統3D列印的可持續健康發展，激發行業活力，促成其規模化應用。”
相關論文資訊：
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101236
