导读

最近,科学家探索出一种制作电子电路的创新方案,它利用了胶体和金属粒子的毛细管效应和介电泳效应,简单快速地制作出二维电子电路。

关键字

毛细管效应、介电泳、电子电路

背景

对于今天要介绍的创新发现,我们还是从一维颗粒和胶体材料的说起。目前这些材料已经引起了产业界广泛的兴趣,应用范围很广,包括导体颗粒、柔性可穿戴设备和电磁能量传输。


这种一维图案可以由颗粒组,或者单独的颗粒组成。相比于其它的方法例如光刻、胶体聚合等等,这种在电解液或者磁流变液中,使用场控制的组装方法形成粒子链,更加简单、高效、且可控。


然而这种方法的应用,特别是在电子设备制造方面,受限于两个主要因素。第一,就是这种组装一般会发生于散装液体中,无法控制链的位置。第二,为了维持形成的结构,通常需要持续的能量供应,一旦外部的电场消失,已经形成的结构就会瓦解。


所以,根据研究人员的说法,要突破这两个限制,一般需要特殊功能化的颗粒表面,例如DNA嫁接、聚合物交联剂以及电荷组设计等等方案。

创新

为了探索出更好的创新方案,最近波兰波兹南密茨凯维奇大学的 Zbigniew Rozynek 和美国西北大学的 Erik Luijten 等科研人员组成的团队,发现了一种创新方法。这种方案十分简便,从胶体溶液中提取出一种能够自我维持结构的、可印刷的“粒子和胶体链”。


他们的论文发表于5月12日的《自然通信》杂志上。

Rozynek 发现了这个“魔法”现象:


当他将一根针状电极插入硅油胶体溶液中,分散于其中的微米级的球形金属粒子,就会粘在电极针的末端。然而,当他将电极针从硅油中取出的时,另外一个球形金属粒子又会粘住第一个球形金属粒子,如此循环往复下去,就像排队一样形成一串,从而构成了一个球形金属粒子长链。


然而,更令大家感到惊讶的是:


这些粒子链形成以后,离开硅油溶液。研究人员便会撤销施加的电场,但是这种粒子链的结构,仍然会保持稳定,并不会瓦解。


技术


大家都会想了解为什么会形成这种现象,其背后的原理又是什么呢?


为了回答这个问题,我就结合研究人员的论文,从技术的角度给大家讲述一下。


首先,当带电的电极针插入溶液中以后,它会产生相应的电场,从而极化附近的金属球粒子,在介电泳效应的影响下,这些金属粒子就会链接到一起,最终形成一条长链。


然而,当外部电场消失后,这些链上的两个相邻粒子之间由硅油液体组成的“桥”相连接。由于这些液体桥产生毛细管效应,这些粒子构成的链的结构仍然会保持稳定,这就形成了一种无需外部能量,可以自我维持稳定的结构。


所以,这项技术的核心就是将介电泳效应毛细管效应相结合。下图比较具体阐述了这一原理:


(图片来源于:参考资料【2】)

(a) 通过针状电极施加电场,粒子就形成了类似“珍珠项链”一般的链,然后从溶液中被拖出。


(b,c) 位于空气和液体交界处的一个粒子,会经历向上的介电泳力Fe 和向下的毛细管力 Fsp


(d)
一旦粒子离开液体,它自动会形成球体和球体之间的液体桥,产生一个向上的力Fss

通过上述讲述和这张图,大家应该可以基本了解原理了。接着,我们看看科学家们是如何通过实验实现这一效果的,还是先看一张图:


(图片来源于:参考资料【2】)


(ac) 将导电粒子链从涂有银的二氧化硅空心球体(半径 ∼30 μm, 密度∼0.17 g cm−3)从硅油(黏度 100 mPa s, 密度 ∼0.96 g cm−3)中拖出。电极首先插入到溶液中,然后施加交流电压(600 V, f=20 kHz),随着电极针位置的抬升,导电链从溶液中被拖出。


(d)
包含几百个粒子的约3厘米长的导电粒子链可在一分钟内形成。


另外,研究人员用这个方法,对于一些列不同直径的粒子,从100 nm 到 200 μm,进行了相关研究。


a) ∼100 nm; (b) ∼15 μm; (c) ∼25 μm; (d) ∼55 μm; (e) ∼100 μm; (f) ∼200 μm.

(图片来源于:参考资料【2】)

价值


这项技术会产生什么样的价值?


当然,最主要的还是解决了背景部分中所提及的问题。


然后,我们具体点讲讲它的应用。一旦这种粒子链被从液体中拖出,它可以立即在物体表面形成各种图案,这种方法可以用于制造二维电子电路。


研究人员在论文中进行了演示,如下图所示,一共展示了字母C、S、L三种形状的图案。通过这种二维图案的制作方法,研究人员称,可在任意物体表面形成粒子电路,并且无需对于粒子进行预处理。

(图片来源于:参考资料【2】)

这种链可以简单而快速的固化成形,这种凝固可以通过冷却(例如:预熔的固体石腊)或者化学固化(例如:对于温度或者紫外线敏感的环氧树脂 )。


研究人员展示了两种不同凝固方式的粒子链,分别是由分散在液体树脂和液体石蜡中的导电微粒组成。前者的凝固需要几分钟时间,而后者则可以达到几秒钟的时间。下图展示了分别由凝固的石蜡(a)和凝固的树脂(b)覆盖的链。


(图片来源于:参考资料【2】)

总结一下,这种方案拓展了新的基础和应用研究领域。它除了可制造出一些胶体结构,还可用于很多应用领域,例如电子电路制造,制作出位于不同基板上的导电图案,为新一代电子电路的制造开辟了新的途径。


参考资料


【1】http://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2017/05/international-team-solves-mystery-of-colloidal-chains.html

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms15255


需要进行深入咨询和交流的朋友,请联系微信:JohnZh1984

科学家用胶体粒子链制作二维电子电路:简单快速!
Tagged on: