Advanced Materials Interfaces:飞秒激光设计超疏液态金属 (Supermetalphobic)表面微纳结构

液态金属在液体机器人和柔性电路等领域有着重要的潜在应用。实现这些应用的核心技术是如何控制液态金属的形状和粘附性,甚至获得复杂的液态金属图案。除了金属的基本属性外,液态金属同时也具有液体的基本性质(如流动性)。并且液态金属很容易粘附在固体表面上。液态金属与固体表面之间高的粘附性给控制液态金属的形状以及制备精细液态金属图案造成了很大的困难。为了使液态金属更好的应用于液体机器人和柔性电路等领域,赋予固体表面优异的排斥液态金属的性能有着非常重要的意义。

近日,来自西安交通大学的陈烽教授团队对比研究了液态金属液滴与水滴在不同微纳结构表面上润湿行为的差异,证明液态金属在固体表面上的润湿性完全不同于水滴的润湿性。通过飞秒激光在固体表面上诱导微纳结构和适当的化学修饰,研究人员分别在硅(Si)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料表面上都获得了超疏水性和超亲水性。研究发现,无论所制备的超疏水表面还是超亲水表面,都对液态金属展现出出色的排斥能力。液态金属液滴在结构化的表面上的接触角超过了150º,并且很容易在固体表面上滚落。这种液态金属排斥性质被定义为“超疏液态金属性(supermetalphobicity)”。通过对比实验和润湿模型分析发现:表面微结构在赋予一个固体表面超疏液态金属性方面发挥了决定性的作用,而表面化学对超疏液态金属性的形成起到相对较小的影响。这是由于液态金属表面常常包覆着一层薄薄的氧化金属层,使得液态金属与结构化的固体表面处于固/固接触状态。该实验所发现的构建超疏液态金属表面微结构的方法能够有效促进液态金属材料在柔性电路和液体机器人等应用领域的进展。

相关研究以论文“Designing “Supermetalphobic” Surfaces that Greatly Repel Liquid Metal by Femtosecond Laser Processing: Does the Surface Chemistry or Microstructure Play a Crucial Role?”在线发表在Advanced Materials Interfaces(DOI: 10.1002/admi.201901931)上。论文第一作者为西安交通大学电子与工程学院雍佳乐副教授,通讯作者为电子与工程学院陈烽教授和机械学院杨青副教授。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。