耶魯基於鎵銦奈米材料的高拉伸性多層電子電路技術更接近於批次生產

可伸縮電子電路對於軟機器人，可穿戴技術和生物醫學應用至關重要。但是，當前製造它們的方法限制了它們的潛力。

機械工程與材料科學系的助理教授約翰·J·李（John J. Lee）是麗貝卡·克萊默·波蒂格里奧（Rebecca Kramer-Bottiglio）耶魯實驗室的一組研究人員，他們開發了一種材料和製造工藝，可以使這些裝置快速拉伸，更耐用並且更接近於製造準備進行批次生產。結果發表在《Nature Material》雜誌上。

電子領域的最大挑戰之一是如何將可拉伸導體與剛性材料可靠地連線起來，這些剛性材料用於市售電子元件，例如電阻器，電容器和發光二極體（LED）。

該論文的主要作者，前博士學位的劉善良子說："問題是，很難將柔軟的東西與剛性的東西連線起來。" Kramer-Bottiiglio實驗室的學生。當可拉伸材料彎曲並伸長時，會在介面處產生很大的剪下力，並且經常會撕裂連線以使電路無法使用。

一種可在室溫下保持液態的被稱為共晶鎵銦銦（eGaIn）的材料已用於可拉伸電子裝置的連線，但其高表面張力使之無法正確連線至剛性部件。已經使用各種策略來解決該問題，但是以限制所得電路的可拉伸性和耐久性為代價。

Kramer-Bottiglio的實驗室採用了不同的方法，即使用eGaIn奈米顆粒來開發一種新的材料-雙相Ga-In（bGaIn），該材料同時具有固體和液體元素。當加熱到900攝氏度時，eGaIn的奈米顆粒膜發生變化，在頂部形成一層薄的固體氧化物層，在液體eGaIn中嵌入厚的固體顆粒層。剝離後，材料會轉移到可拉伸的基材上，類似於臨時紋身的工作方式。

由於bGaIn和剛性電子元件之間的介面牢固，結果是即使在高水平的應變下，其可拉伸的電路板元件也能達到傳統元件的效能。該方法為在包括軟顯示器和智慧服裝在內的各種工業應用中建立可伸展電路創造了機會。

帶有液態金屬的可伸縮電子裝置。用於拉伸電路板元件的雙向GaIn液態金屬，在拉伸至400％應變前後。比例尺，1釐米。

為了演示該過程，該團隊使用它構建了許多裝置，包括可以擴充套件到其原始長度至少五倍的放大電路，可擴充套件的"耶魯" LED陣列以及與之整合的多層訊號調節電路板。連線到使用者襯衫袖子表面的可伸縮感測器。該電路還應用於乳膠氣球，並"手寫"在非常多孔的泡沫上。

"關鍵是整個電路都是可伸展的，"合著者Dylan Shah說。Kramer-Bottiglio實驗室的學生。"以前在軟機器人中使用的電路具有未拉伸的小區域，然後是可拉伸的區域的組合。由於我們的電路具有可伸展的導體和介面，因此它們的彈性和柔韌性要大得多。"

對於這項研究，研究人員使用了轉移列印，這需要手動進行。Liu現在是西北大學的博士後研究員，他說，這項研究的下一步步驟是修改bGaIn墨水的可印刷性，以便將其無縫整合到自動化電路生產線中。

結論：

可伸展的電子電路對於軟機器人，可穿戴技術和生物醫學應用至關重要。精密可拉伸電路的開發需要在大應變下具有穩定導電性的新材料，以及軟和常規（剛性）電子元件之間的低電阻介面。為了滿足這一需求，引入了雙相GaIn，這是一種具有高電導率（2.06×10 6  S m -1的可印刷導體），極高的可拉伸性（> 1,000％），應變時的電阻變化可忽略不計，迴圈穩定性（在1,500個迴圈中保持穩定的效能）以及與剛性電子裝置的可靠介面。

採用可擴充套件的轉移印刷工藝來建立各種可拉伸的電路板元件，這些元件可在拉伸時保持其效能，包括多層發光二極體顯示器，放大器電路和用於可穿戴感測應用的訊號調節板。雙相Ga–In與可擴充套件的製造方法的相容性，具有現成電子元件的堅固介面以及電氣/機械迴圈穩定性，可將已建立的電路板元件直接轉換為柔軟且可拉伸的形式。