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  傳統(tǒng)電子設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)通常以穩(wěn)定、堅固和耐用為出發(fā)點，因此電子產(chǎn)品在損壞或淘汰后無法輕易處理，產(chǎn)生的電子垃圾對環(huán)境造成巨大的負擔。現(xiàn)有的電子垃圾處理方式需要復雜的步驟和工藝，并可能產(chǎn)生對環(huán)境有害的固體、液體和氣體，危及著人類的健康和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展可降解、低排放甚至是可回收的環(huán)境友好型電子成為了電子設(shè)備的未來趨勢之一。此外，可降解、低毒性的瞬態(tài)電子設(shè)備作為植入醫(yī)療設(shè)備可在任務(wù)結(jié)束后被降解或吸收，從而避免需要手術(shù)取出而帶來的二次傷害。然而受限于材料的特殊性和特定的加工工藝，目前僅有少量的電子設(shè)備實現(xiàn)可降解或可吸收，極大地限制了該新興電子技術(shù)的發(fā)展。

  近日，深圳大學周學昌課題組設(shè)計和構(gòu)建了一種基于室溫液態(tài)金屬的瞬態(tài)可回收的環(huán)境友好型柔性電子。該研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater. (2019, DOI: 10.1002/adfm.201808739.) 期刊上。在本項研究中，研究人員采用聚乙烯醇（以下簡稱：PVA）作為可溶解的封裝材料，液態(tài)金屬作為可回收的柔性導體。由于PVA具有水溶性，因此用完的電子設(shè)備置于水中便可立即銷毀，電路銷毀形成液態(tài)金屬小液滴只需添加少量低濃度氫氧化鈉溶液即可完成液態(tài)金屬的小液滴間融合回收。該方法加工工藝簡單，所采用的液態(tài)金屬具有極高的柔性、安全性和可回收性。

  研究中采用真空輔助液態(tài)金屬圖案化和水霧輔助的封裝方法，解決了在PVA中封裝液態(tài)金屬電路的難點。利用這種方法可以制備復雜的液態(tài)金屬圖案，且制備得到的液態(tài)金屬瞬態(tài)可回收電路具有極高的機械和電學穩(wěn)定性，可以在經(jīng)受各種形變下仍然保持圖案完整性。而且在高強度彎曲、扭曲下依然保持良好的導電性，在高達1萬次的彎曲疲勞測試后，電路的導電性能也幾乎不受影響 (圖1)。為了驗證該方法，研究人員成功實現(xiàn)了多種復雜電路的設(shè)計，實現(xiàn)了基于液態(tài)金屬電路的近場通訊、電容傳感器等器件等應(yīng)用。

圖1、a) PVA封裝的液態(tài)金屬圖案的拉伸、擠壓和折疊機械形變。b-c) 不同彎曲半徑下的電路電阻變化及其疲勞測試結(jié)果。

  為了進一步驗證該方法，研究人員還設(shè)計了一個可用于順序關(guān)閉LED燈陣列的液態(tài)金屬電路。實驗中通過控制水的位置來逐步溶解PVA-液態(tài)金屬電路，實現(xiàn)按順序關(guān)閉LED的控制（圖2a-b）。研究人員最后通過實驗室驗證了PVA封裝的液態(tài)金屬瞬態(tài)電子的可回收性（圖2c）。所制備的電路浸入水中可自動銷毀，形成液態(tài)金屬小液滴，通過添加低濃度的NaOH溶液，改變了液態(tài)金屬的表面張力，液態(tài)金屬小液滴可以快速融合成大液滴，極大地方便回收，金屬的回收率高達96％。

圖2、a, b) 液態(tài)金屬瞬態(tài)LED電路與 c) 電路回收過程。

  該研究為柔性電子、瞬態(tài)電子以及液態(tài)金屬研究等領(lǐng)域提供了新的研究思路。液態(tài)金屬的瞬態(tài)可回收的環(huán)境友好型柔性電子在瞬態(tài)通訊設(shè)備、傳感器、健康醫(yī)療、信息安全等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。該工作得到國家自然科學基金、深圳市基礎(chǔ)研究項目和孔雀技術(shù)創(chuàng)新等項目的資助。

  室溫液態(tài)金屬，例如鎵及其合金，常溫下呈液態(tài)，具備良好的流動性、高導電性、高導熱性、低毒、低蒸氣壓等優(yōu)點，被認為在軟電子學、軟體機器人、柔性可穿戴設(shè)備、健康醫(yī)療等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。近兩年來，深圳大學周學昌課題組在液態(tài)金屬的表界面性能調(diào)控及應(yīng)用方面進行了多項研究工作，主要包括：液態(tài)金屬瞬態(tài)可回收柔性電子（Adv. Funct. Mater., 2019, 1808739.）；使用聚四氟乙烯薄片包覆液態(tài)金屬液滴，成功制得一種具有優(yōu)異機械性能的高彈性液態(tài)金屬液滴（Mater. Horiz., 2017, 4, 591-597）；使用石墨烯包覆液態(tài)金屬液滴，制得一種具有高導電性的液態(tài)金屬液滴，并成功用于可活動、可回收、可變形的軟接觸電極及運動方向指示器件（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1706277）；采用聚多巴胺包覆液態(tài)金屬納米液滴，使得該納米液滴在近紅外光照射下能夠發(fā)生形變（Small, 2019, 1804838）。此外，該課題組還研發(fā)了可用于全軟導體的液態(tài)金屬彈性海綿（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 1586-1590.）、冷凍熱轉(zhuǎn)印液態(tài)金屬圖案化技術(shù)（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 6790-6797）和酸性電解質(zhì)條件下的可定向移動的液態(tài)金屬液滴機器（Langmuir, 2019, 35, 372–381）。

論文鏈接：

Title: Liquid Metal-based Transient Circuits for Flexible and Recyclable Electronics

Authors: Long Teng, Shichao Ye, Stephan Handschuh-Wang, Xiaohu Zhou, Tiansheng Gan, Xuechang Zhou*

Journal: Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201808739.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808739

Title: Robust Fabrication of Nonstick, Noncorrosive, Conductive Graphene-Coated Liquid Metal Droplets for Droplet-Based, Floating Electrodes

Authors: Yuzhen Chen, Tingjiao Zhou, Yaoyao Li, Lifei Zhu, Stephan Handschuh-Wang, Deyong Zhu, Xiaohu Zhou, Zhou Liu, Tiansheng Gan, and Xuechang Zhou*

Journal: Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1706277.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201706277

Title: Light-Induced Shape Morphing of Liquid Metal Nanodroplets Enabled by Polydopamine Coating

Authors: Tiansheng Gan, Wenhui Shang, Stephan Handschuh-Wang, and Xuechang Zhou*

Journal: Small, 2019, DOI: 10.1002/smll.201804838.

https://doi.org/10.1002/smll.201804838

Title: Liquid metal droplets with high elasticity, mobility and mechanical robustness

Authors: Yuzhen Chen, Zhou Liu, Deyong Zhu, Stephan Handschuh-Wang, Suqing Liang, Jinbin Yang, Tiantian Kong, Xiaohu Zhou, Yizhen Liu, and Xuechang Zhou*

Journal: Mater. Horiz., 2017, 4, 591-597.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/mh/c7mh00065k/unauth#!divAbstract

Title: Liquid Metal Sponges for Mechanically Durable, All-Soft, Electrical Conductors

Authors: Suqing Liang, Yaoyao Li, Yuzhen Chen, Jinbin Yang, Taipeng Zhu, Deyong .Zhu, Chuanxin He, Yizhen Liu, Stephan Handschuh-Wang, Xuechang Zhou*

Journal: J. Mater. Chem. C, 2017, 5,1586-1590.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/tc/c6tc05358k#!divAbstract

Title: Defect-Free, High Resolution Patterning of Liquid Metals by Reversibly Sealed, Reusable Polydimethylsiloxane Microchannels for Flexible Electronic Applications

Authors: Jinbin Yang, Tingjiao Zhou, Liyun Zhang, Deyong Zhu, Stephan Handschuh-Wang, Zhou Liu, Tiantian Kong, Yizhen Liu, Junming Zhang, Xuechang Zhou*

Journal: J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 6790-6797.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/TC/C7TC01918A#!divAbstract

Title: Electric Actuation of Liquid Metal Droplets In Acidified Aqueous Electrolyte

Authors: Stephan Handschuh-Wang, Yuzhen Chen, Lifei Zhu, Tiansheng Gan, Xuechang Zhou*

Journal: Langmuir,2019, 35, 372–381.

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.langmuir.8b03384