石墨烯包覆的液态金属液滴: 一种不粘基底、非腐蚀性、可回收、可变形、高导电的液滴型浮动电极

近年来,液态金属作为一类在低温下呈液态的金属材料而备受关注,在柔性可拉伸电子、能量收集与存储、生物成像、冷却装置、传感器、致动器、软体机器人、微流体、形状调控系统、医疗监测和化学催化合成等领域有着非常重要的应用价值。其中,镓及其合金由于无毒且具有极低的蒸气压,成为目前研究最为活跃的室温液态金属材料,主要包括以下几个方面:(1)通过将液态金属直接填充到微通道、纤维或多孔结构中来制备柔性电极或导体材料;(2)将液态金属的图案化技术,如喷墨印刷、微接触印刷、直接书写、模板印刷、掩模沉积、光刻、转印或3D打印等;(3)液态金属与其他柔软或弹性材料共混制备柔性复合材料;(4)液态金属功能性液滴的制备与应用。

镓及其合金在空气中容易形成氧化层,极大地降低了表面张力,使得它们容易粘附于甚至腐蚀基底,在一定程度上限制了液态金属液滴的应用。因此,如何制备不粘基底、无腐蚀性且具备高导电性的液态金属液滴仍然是一个关键性挑战。前期工作中,深圳大学化学与环境工程学院周学昌课题组通过在氢氧化钠溶液处理后的液态金属液滴表面包覆一层聚四氟乙烯(PTFE)颗粒,成功制备了一种不粘基底且机械性能优异的高弹性液态金属液滴(Materials Horizons, 2017, 4, 591-597.)。然而,由于包覆的PTFE颗粒是绝缘的,所得到液态金属液滴的导电性不具备导电性能,极大的限制了其应用范围。

近日,深圳大学化学与环境工程学院周学昌课题组报道了一种高导电性的石墨烯包覆的液态金属(Graphene-coated Liquid Metal, GLM)液滴的制备方法,并将它们成功用于不粘基底、无腐蚀、可移动的软接触液滴型浮动电极。GLM液滴由极软的液态金属内核和高润滑的石墨烯片组成的外壳所构成。液态金属液滴在运动过程中可发生形变,而高润滑性的石墨烯外壳不仅能够防止液态金属液滴与基底接触,还可作为导电层。可见,这种制备方法能够同时控制液态金属液滴软电极的润湿性和导电性,使其在与多种金属基底(如Au、Ag和Cu等)接触时都表现出不粘、无腐蚀性且保持高导电性的性质。GLM液滴被成功用于可活动、可回收、可变形的软接触电极,并可反复开启/关闭电路的浮动电极。该研究对于开发新一代的液滴型的柔性电子电路具有重要的意义。

这项工作的相关成果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201706277)上。