科學家用膠體粒子鏈製作二維電子電路：簡單快速！

導讀

最近，科學家探索出一種製作電子電路的創新方案，它利用了膠體和金屬粒子的毛細管效應和介電泳效應，簡單快速地製作出二維電子電路。

關鍵字

毛細管效應、介電泳、電子電路

背景

對於今天要介紹的創新發現，我們還是從一維顆粒和膠體材料的說起。目前這些材料已經引起了產業界廣泛的興趣，應用範圍很廣，包括導體顆粒、柔性可穿戴設備和電磁能量傳輸。

這種一維圖案可以由顆粒組，或者單獨的顆粒組成。相比於其它的方法例如光刻、膠體聚合等等，這種在電解液或者磁流變液中，使用場控制的組裝方法形成粒子鏈，更加簡單、高效、且可控。

然而這種方法的應用，特別是在電子設備製造方面，受限於兩個主要因素。第一，就是這種組裝一般會發生於散裝液體中，無法控制鏈的位置。第二，為了維持形成的結構，通常需要持續的能量供應，一旦外部的電場消失，已經形成的結構就會瓦解。

所以，根據研究人員的說法，要突破這兩個限制，一般需要特殊功能化的顆粒表面，例如DNA嫁接、聚合物交聯劑以及電荷組設計等等方案。

創新

為了探索出更好的創新方案，最近波蘭波茲南密茨凱維奇大學的 Zbigniew Rozynek 和美國西北大學的 Erik Luijten 等科研人員組成的團隊，發現了一種創新方法。這種方案十分簡便，從膠體溶液中提取出一種能夠自我維持結構的、可印刷的「粒子和膠體鏈」。

他們的論文發表於5月12日的《自然通信》雜誌上。

Rozynek 發現了這個「魔法」現象：

當他將一根針狀電極插入硅油膠體溶液中，分散於其中的微米級的球形金屬粒子，就會粘在電極針的末端。然而，當他將電極針從硅油中取出的時，另外一個球形金屬粒子又會粘住第一個球形金屬粒子，如此循環往複下去，就像排隊一樣形成一串，從而構成了一個球形金屬粒子長鏈。

然而，更令大家感到驚訝的是：

這些粒子鏈形成以後，離開硅油溶液。研究人員便會撤銷施加的電場，但是這種粒子鏈的結構，仍然會保持穩定，並不會瓦解。

技術

大家都會想了解為什麼會形成這種現象，其背後的原理又是什麼呢？

為了回答這個問題，我就結合研究人員的論文，從技術的角度給大家講述一下。

首先，當帶電的電極針插入溶液中以後，它會產生相應的電場，從而極化附近的金屬球粒子，在介電泳效應的影響下，這些金屬粒子就會鏈接到一起，最終形成一條長鏈。

然而，當外部電場消失後，這些鏈上的兩個相鄰粒子之間由硅油液體組成的「橋」相連接。由於這些液體橋產生毛細管效應，這些粒子構成的鏈的結構仍然會保持穩定，這就形成了一種無需外部能量，可以自我維持穩定的結構。

所以，這項技術的核心就是將介電泳效應和毛細管效應相結合。下圖比較具體闡述了這一原理：

（圖片來源於：參考資料【2】）

(a) 通過針狀電極施加電場，粒子就形成了類似「珍珠項鏈」一般的鏈，然後從溶液中被拖出。

(b,c) 位於空氣和液體交界處的一個粒子，會經歷向上的介電泳力Fe 和向下的毛細管力 Fsp 。

(d) 一旦粒子離開液體，它自動會形成球體和球體之間的液體橋，產生一個向上的力Fss。

通過上述講述和這張圖，大家應該可以基本了解原理了。接著，我們看看科學家們是如何通過實驗實現這一效果的，還是先看一張圖：

（圖片來源於：參考資料【2】）

(a–c) 將導電粒子鏈從塗有銀的二氧化硅空心球體（半徑 ～30?μm, 密度～0.17?g?cm?3）從硅油（黏度 100?mPa?s, 密度 ～0.96?g?cm?3）中拖出。電極首先插入到溶液中，然後施加交流電壓(600?V, f=20?kHz)，隨著電極針位置的抬升，導電鏈從溶液中被拖出。

(d) 包含幾百個粒子的約3厘米長的導電粒子鏈可在一分鐘內形成。

另外，研究人員用這個方法，對於一些列不同直徑的粒子，從100?nm 到 200?μm，進行了相關研究。

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

（圖片來源於：參考資料【2】）

價值

這項技術會產生什麼樣的價值？

當然，最主要的還是解決了背景部分中所提及的問題。

然後，我們具體點講講它的應用。一旦這種粒子鏈被從液體中拖出，它可以立即在物體表面形成各種圖案，這種方法可以用於製造二維電子電路。

研究人員在論文中進行了演示，如下圖所示，一共展示了字母C、S、L三種形狀的圖案。通過這種二維圖案的製作方法，研究人員稱，可在任意物體表面形成粒子電路，並且無需對於粒子進行預處理。

（圖片來源於：參考資料【2】）

這種鏈可以簡單而快速的固化成形，這種凝固可以通過冷卻（例如：預熔的固體石臘）或者化學固化（例如：對於溫度或者紫外線敏感的環氧樹脂 ）。

研究人員展示了兩種不同凝固方式的粒子鏈，分別是由分散在液體樹脂和液體石蠟中的導電微粒組成。前者的凝固需要幾分鐘時間，而後者則可以達到幾秒鐘的時間。下圖展示了分別由凝固的石蠟（a）和凝固的樹脂（b）覆蓋的鏈。

（圖片來源於：參考資料【2】）

總結一下，這種方案拓展了新的基礎和應用研究領域。它除了可製造出一些膠體結構，還可用於很多應用領域，例如電子電路製造，製作出位於不同基板上的導電圖案，為新一代電子電路的製造開闢了新的途徑。

參考資料

【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

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