理化所提出柔性液态金属薄膜的自组装方法

  • 张朋举 (中国科学院理化技术研究所)
  • 创建于 2019-06-20
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  针灸是一种传统的中医治疗方法,其中的针法是将毫针按照一定的角度插入人体特定深度的穴位,从而达到治疗疾病的目的。医生在行针的过程中,往往需要依赖自身经验及手法将针递送至特定的穴位,对于医生的技能要求很严格。客观化和精确化是中医现代化发展的趋势,发展针刺响应的超敏深度传感器对于刻画扎针深度的定量化表征有着重要的作用。 

  为了应对这一挑战,中科院理化所低温生物与医学研究团队利用自组装沉积法制备出了一种电学各向异性的柔性液态金属薄膜。利用纳米镓铟共晶合金(EGaIn)在纳米纤维素-聚乙烯醇溶液中的密度差和自然蒸发(图1),可成功制备1~49 μm的超薄Janus膜。这种膜在正常情况下,双面均不导电;而在垂直集中应力或者剪切摩擦力作用下,薄膜下层液态纳米EGaIn颗粒则可实现有效导通,从而传递电信号,值得一提的是,纳米液态金属导通响应时间只需2ns(图2)。利用纳米EGaIn与纳米纤维素-聚乙烯醇复合物制备的深度传感器,不仅具有灵敏的深度探测能力,而且医生在训练过程中可以通过可视化显示灯在第一时间获取扎针的深度信息。这种液态金属薄膜作为一种全新的电子纸,为制造智能微尺度传感器的多层复杂电路提供了一个简便、快速的制造和响应平台(图3)。 

  更进一步的,研究团队发现这种液态金属薄膜两面对光的反射效果以及导热性能也有显著性差异,这种特性使其有可能被用作光转化开关和温度调节器(图4)。这样一种同时具有电学、光学和热学三种特性的两面各异性薄膜,在制备的过程中不需要任何复杂的工艺及精密仪器的辅助,制备过程不仅简单易行,而且并不需要耗费太多时间。 

  相关研究成果以“Self-assembly Ultrathin Film of CNC/PVA-Liquid Metal Composite as Multifunctional Janus Material”为题发表在Materials Horizons期刊上。(DOI: 10.1039/C9MH00280D)。论文的第一作者是中国科学院大学博士研究生张朋举(培养单位:中科院理化技术研究所)和和王倩副研究员,理化所饶伟是本文的通讯作者并主导本文工作,中国农业大学何志祝副教授作为共同通讯作者负责力学分析及数值计算。 

  该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京市科学技术委员会研究基金、以及中科院理化所所长基金的支持。 

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/mh/c9mh00280d 

 

1 液态金属纳米纤维素-聚乙烯醇复合的Janus柔性薄膜制备及其表征 

 

2 液态金属薄膜下层导通原理及导电稳定性测试 

 

3  液态金属薄膜制备的针灸深度传感器模型 

  

4  液态金属薄膜两面光学和热学特性的差异 

 

责任编辑:黄巧