南开/Twente大学AM综述：液态金属EGaIn特性及应用

撰稿|由课题组供稿

图1 EGaIn的特性和相关应用

1. EGaIn的特性

(1) 自然氧化

EGaIn核能够自发和氧气等发生反应，根据外界环境的不同生成厚度大约0.7-3 nm的氧化层。氧化层可以通过酸或者碱去除，也可以通过电化学还原去除。

(2) 电导性和热导性

EGaIn的电导率大约为3*10⁶ S*m^-1，接近于传统金属如银的电导率. 同时EGaIn由于其高的导热能力（大约为水的十倍），从而可以被用于冷却剂和热界面材料。

(3) 形状可变性

EGaIn由于表面自然氧化层的存在能够形成机械稳定结构，因此可以通过Lithography Enabled, Injection, Additive, Subtractive等方法做成各种形状样式，可以被应用于可拉伸设备，传感器，打印电路等。

(4) 可拉伸性

传统的刚性金属相对于液态金属，在拉伸过程中由于应力作用使得更加容易断裂，而液态金属则拥有良好的拉伸性，可以被用于柔性可拉伸器件，提高器件的耐久性和使用年限。

(5) 自愈

传统软材料在反复拉伸变形后存在机械损坏，而液态金属由于其良好的自愈能力，从而成为可修复器件的重要备选材料之一。

(6) 粘度和润湿性

液态金属EGaIn表面氧化层的存在很大程度上影响了其粘附和润湿特性。调控EGaIn的润湿性可以被应用于不同的场合，例如，在可重构器件中，应尽量减小EGaIn的粘附来避免对器件性能的影响。然而，在柔性电子器件中，则需要增加EGaIn的粘附来实现器件的稳定性。通过对基底的选择性润湿，还可以用来制备各种各样的样式，实现器件结构多样化。

(7) 生物兼容性

传统的生物材料如刚性金属，聚合物，陶瓷，在面对一些复杂的医用场景时可能不能很好的工作，而且它们实际应用时往往还需要考虑人体的免疫排斥反应。相对于传统的含有毒性的液态金属汞，EGaIn作为一种无毒，具有生物兼容性的新一代智能生物材料，被广泛应用于药物传递，肿瘤治疗，生物成像等领域。

(8) 可循环性

当液态金属复合物器件溶解时，由于液态金属可以流动从而更容易恢复，实现器件的可循环。基于液态金属EGaIn的器件具有可循环和可降解的特性，并且在实现绿色发展的同时，还能够降低成本。

2. EGaIn的应用

(1) 用于分子电子学的顶部电极

利用EGaIn的形状可变性和可拉伸性等特点，可以制备EGaIn针尖顶部电极，来测量单分子层的电荷传输特性。同时由于EGaIn具有一定的流动性，从而可以在外力下被注入到微流体通道，而EGaIn表面原生氧化层的存在使其在这些通道中结构稳定，从而可以制备EGaIn微流体通道顶部电极结。制备基于EGaIn的新型功能分子结有助于下一代器件的发展，其中内在的分子功能还可以用于新型电路的制备。

(2) 柔性和可拉伸器件

液态金属EGaIn可以用于制备传感器，天线，电子电路等等。常见的基于液态金属EGaIn的柔性传感器主要是应变传感器，压力传感器，触觉传感器，温度传感器等。而将液态金属如EGaIn注入微流体通道,通过利用液态金属独特的性质，可以制备各种各样的可调谐和可重组天线，例如偶极子，贴片，线圈，射频天线等等。液态金属还可以作为拉伸导体，互连线，结合常用的电路元器件，则可以制备柔性可弯曲的电子电路。

(3)能源器件和能源催化

利用液态金属EGaIn的高热导率可以进行热量管理，它不仅可以利用施加电流时产生的焦耳热来制备加热器件，还可以用做冷却剂对器件进行降温处理。液态金属EGaIn由于其柔软可形变性，可以通过外界（例如电场，磁场等）精细控制马达运动方向而被应用于货物运输，微型机器人等场合中。液态金属EGaIn还可用于制备发电机。常见的基于液态金属的发电机有热电发电机(TEG)，摩擦电纳米发电机(TENG)，磁流体发电机(MHD)等等。液态金属EGaIn良好的变形能力和自愈性能，减缓了传统刚性碱金属电池使用过程中枝晶的生长和裂纹的出现，并在高电流密度下实现较好的充放电效率，这为新一代高能量密度的可充电电池提供了发展道路。此外，液态金属EGaIn可作为二维材料制备的催化剂，来辅助制备多种二维材料。而且液态金属催化剂中不仅可以加速氧化聚合的作用，还可以用作还原剂促进催化反应的进行。

(4) 生物医学

相对于传统的药物载体，液态金属由于具有生物兼容性和粘附性，可以和药物分子形成稳定安全有效的核壳结构，还可以通过光场，磁场等手段来控制其运动，并且其可变形性则减少了运动过程中血管堵塞的可能性，实现了在特定位置处药物的快速释放，从而被应用于纳米生物医学领域，例如药物传递，肿瘤治疗，生物成像，神经连接等。

(1) 分辨率限制。（2）长期毒性。（3）界面反应。(4) 氧化层调控。(5)器件长期寿命及循环稳定性。

(1) 液态金属计算机。(2) 液态金属软机器人。(3) 新型液态金属能源催化。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202203391

作者简介：

赵智宾

论文第一作者，南开大学光学工程专业博士生研究生。研究方向为基于液态金属EGaIn电极的微纳米材料和分子光电特性研究，聚焦于微尺度材料光生载流子输运特性研究。

向东

南开大学教授，博士生导师。目前主要研究方向为单分子和光电子分子器件。Christian A. Nijhuis

Twente大学教授目前的研究兴趣是分子电子器件、等离子体隧道结、电荷输运、单分子层的自组装和表征。