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变身钢铁侠:液态金属智能服装问世[转载]
作者: 高分子科学前沿 发表时间:2019-08-04 阅读次数:723

超级英雄电影《复仇者联盟3》中钢铁侠身穿的逆天战衣——纳米液态金属战衣可以从方舟反应炉中析出,覆盖全身,变成坚固的钢铁战衣。电影中的纳米液态金属不仅可以幻化成各种武器,而且嵌入人工智能系统,具有快速反应能力。不同于电影中自动覆盖全身形成坚固战甲的纳米液态金属材料,现实中的液态金属是一类低熔点的合金材料,可以在室温环境中保持液体形态。将液态金属与服装结合,则可以创造出更加智能的衣服。

                                                            图1 《复仇者联盟3》中的纳米液态金属战衣
近日,来自清华大学的刘静教授和张莹莹教授的研究团队联合开发了一种液态金属智能服装的制备方法。利用这种方法可以方便快捷地在棉布上制备出大面积的液态金属电路,并且制备的液态金属电路可以随服装被任意折叠和拉伸。基于此制备方法,研究人员设计出具有人机交互、无线供电、柔性显示以及人体热管理等多种功能的智能服装系统。
传统制造服装的布料往往由纤维编织而成,具有粗糙的表面形貌。前期的研究发现这种粗糙的界面使得液态金属难以附着在其表面。因此,研究人员使用丝网印刷方法首先在棉布表面覆盖一层聚乙酸乙烯酯(PVAC)胶膜,这层胶膜渗透进布料纤维之间的空隙,并在布料表面形成光滑平整的界面,而且这层胶膜具有对液态金属具有极好的粘附性,可以将液态金属牢固地黏附在其表面。此外,在该项研究中研究人员使用了掺杂金属铜微颗粒的半液态金属浆料(Cu-EGaIn)代替液态金属镓铟合金,这种浆料相比液态金属镓铟合金具有更高的导电性(6×106 S m−1),并且其较高的塑形能力使得服装电路结构更为稳定,使用滚轮涂布的方法即可快速黏附到PVAC胶膜上。最后,为提高液态金属服装电路的稳定性和防水能力,研究人员将Ecoflex胶膜覆盖在液态金属电路表面,完成电路封装。


图2 液态金属智能服装的制备方法。(a)掺杂不同比例铜粉的Cu-EGaIn浆料;(b-c) Cu-EGaIn浆料的表面成分和微观形貌;(d) 未固化成膜的聚乙酸乙烯酯(PVAC)胶;(e) 液态金属电路分别在针织棉布和梭织棉布上的制备流程。
相比于传统的可拉伸导电材料,Cu-EGaIn浆料具有超高的导电性以及较好的顺应性,即使布料被拉伸或折叠,其上的Cu-EGaIn浆料仍能够随之产生相应的形变,并且保持电路连接的稳定性。在此,研究人员展示了一系列基于该项技术制备的液态金属智能服装。


图3 (a-b)液态金属交互式智能服装电路;(c-e)液态金属可拉伸LED服装电路;(f)液态金属无线供电服装电路。

                                                                              图4 液态金属热管理服装电路。

这种液态金属智能服装的制备方法操作简单,不需要复杂昂贵的制备设备,与刚性电子器件结合可以制造出多功能、大面积的可穿戴柔性电子设备,为开发个性化定制智能服装提供了新的解决途径。
该成果以“Semi-liquid Metal enabled Highly Conductive Wearable Electronics for Smart Fabrics” 为题发表在国际知名期刊ACS Applied Materials& Interfaces上,论文第一作者为清华大学博士生国瑞,通讯作者为清华大学刘静教授和张莹莹教授。
论文链接:
https://doi.org/10.1021/acsami.9b08067

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