功能電子器件或係統多呈三維立體(ti) 結構，其組成單元則由各種金屬或非金屬特別是電子材料構築而成，以增材製造手段直接層疊打印出終端立體(ti) 電子一直是學術界和工業(ye) 界著力追求的核心目標。眾(zhong) 所周知，傳(chuan) 統的3D打印主要基於(yu) 塑料、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；而經典的金屬3D打印針對的是高熔點金屬粉末或線材，它們(men) 與(yu) 非金屬材料由於(yu) 存在巨大熔點差而難以實現複合打印。近年來發展起來的液態金屬印刷電子學在立體(ti) 電路製造上展示出很有希望的前景。

與(yu) 生活中常見的固態金屬材料不同，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(ti) 形態。近年來，以低熔點金屬镓為(wei) 基礎的室溫液態金屬合金材料逐漸進入人們(men) 的視野，在柔性電子、二維材料製備、智能機器等領域都得到廣泛的研究和應用。其中，液態金屬材料以其獨特的性能在三維立體(ti) 電路製備中顯示出巨大的應用前景。然而目前大多數研究采用流道灌注的方式，將液態金屬封裝在三維模型中。在這些研究中，液態金屬僅(jin) 充當導電介質，無法展示出液態金屬獨特的界麵性能在三維立體(ti) 電路中的應用價(jia) 值。

近日，來自清華大學的劉靜教授團隊將3D打印技術與(yu) 液態金屬功能材料結合，開發出一種基於(yu) 液態金屬選擇粘附性的3D電路轉印技術。在這項研究中，研究人員首先利用3D打印工藝製作出一係列的複雜立體(ti) 結構，並在立體(ti) 結構表麵覆蓋對液態金屬材料具有較高粘附性的高分子塗層；之後將立體(ti) 結構浸潤到液態金屬中，實現液態金屬在立體(ti) 結構表麵的附著，如圖1所示。

圖1 在立體(ti) 結構表麵粘附液態金屬塗層的工藝流程以及附著液態金屬塗層的多種複雜立體(ti) 結構

此外，該研究發現液態金屬镓銦合金在室溫下因受重力影響，難以穩定地附著在立體(ti) 結構的表麵。因此，研究人員事先對镓銦合金進行氧化處理，使其黏附性大大提升而流動性顯著降低，從(cong) 而可在立體(ti) 結構表麵維持一定的穩定性，如圖2所示。

圖2 液態金屬材料的氧化處理和其較低的流動性

3D打印工藝製作的立體(ti) 結構是由顆粒熔融堆積而成，因此具有粗糙的表麵形貌。該研究發現這種粗糙的界麵使得液態金屬難以附著，因而需要事先覆蓋一層對液態金屬材料具有較高粘附性的高分子塗層，如圖3所示。

圖3 高分子塗層修飾前後的立體(ti) 結構具有顯著的界麵形貌差異，導致液態金屬選擇性地粘附在高分子塗層區域。

基於(yu) 上述原理，研究人員將高分子塗層覆蓋在立體(ti) 結構的特定區域，利用液態金屬在不同界麵上的選擇粘附性，可實現立體(ti) 電路的轉印製備，如圖4所示。

圖4 在立體(ti) 結構表麵轉印的3D電路

不同於(yu) 將液態金屬封裝在立體(ti) 結構內(nei) 部的方式，附著在立體(ti) 結構表麵的液態金屬塗層還可以與(yu) 周圍的液態金屬塗層形成液橋，實現金屬焊接的效果。利用這種現象，研究人員將相同尺寸的立體(ti) 結構單元進行堆積組合，從(cong) 而構建出更加複雜的立體(ti) 結構。此外，單元之間的液態金屬塗層可形成穩定的導電通路，從(cong) 而實現可組裝的立體(ti) 電路，如圖5所示。

圖5 球形和立方體(ti) 形的液態金屬立體(ti) 電路的堆積組裝

此外，研究人員還將液態金屬塗層覆蓋在柔性矽膠結構表麵，利用液態金屬材料在不同溫度下的相變特性，實現立體(ti) 結構可調控的力學性能，如圖6所示。最後，研究人員使用該技術將液態金屬塗層粘附在多種材料表麵，如圖7所示。

圖6 覆蓋液態金屬塗層的立體(ti) 結構在不同溫度下的可調控力學性能

圖7 液態金屬塗層在多種材料表麵的粘附

該成果以“Spatially selective adhesion enabled transfer printing of liquid metal for 3D electronic circuits “為(wei) 題發表在國際期刊Applied Materials Today，相應探索為(wei) 三維立體(ti) 功能電子器件的快速製造開辟了一條重要而易於(yu) 規模化普及的實用技術。清華大學博士國瑞為(wei) 第一作者，通訊作者為(wei) 清華大學劉靜教授。