微纳最难的3d立体金属拼图3D打印技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-11-12 02:30 标签： 超导磁共振

我们发明了一种独特的液态金属-硅胶墨水，并提出相应的多材料3D打印工艺，用来制造全打印的液态金属基柔性电子设备。

论文第一作者：周璐瑜；

通讯作者单位：浙江大学机械工程学院

推荐人：李浩然（化学系教授）

近年来，具有出色的可变形性和环境适应性的柔性电子设备在软机器人，人机接口等领域展现出了巨大的潜力。在各类柔性导电材料中，液态金属由于其高导电性和本征可拉伸性而被广泛使用。

受限于液态金属大的表面张力和低的粘度，当前很难用一种简单的方式高效、高精度的打印液态金属，此外，液态金属的强流动性也使得在局部破坏发生时极易产生泄漏，进而导致柔性器件的失效，这些问题严重限制了液态金属基柔性电子设备的制造和应用。

课题组一直在思考如何在保持液态金属优异特性基础上解决这些应用瓶颈。我们猜测将液态金属变成能与柔性基底产生粘接的混合物是否能解决这些问题，开始近两年的液态金属-硅胶墨水的研究，然而在反复试验后，尽管配置的墨水的确能够与硅胶基底产生粘接，但是和我们预设相反的是它打印出来后几乎不导电，这让我们的研究停滞不前，甚至一度打算放弃。

后来我们决定搞清楚不导电的原因，通过深入分析液态金属-硅胶墨水的微观结构，发现其分散后的液态金属微滴被硅胶阻隔，不能够手拉手实现导电，而令人兴奋的是，因为液态金属具有流动性，只要液态金属微滴之间的距离足够近，它们之间的阻隔就能被机械力破坏从而连接导电！但是如何拉近它们之间的距离呢？如果只是简单的混合，液态金属含量太低了就无法激活，液态金属含量太高就无法有效分散。那么将低浓度的混合物浓缩不就可以解决这个问题了吗？在尝试之后，我们发现在离心浓缩之后液态金属微滴的确紧紧地挤在了一起，在固化后用手轻轻一压，就能导电！就这样，几番波折我们才找到这种方案，能够同时解决液态金属难打印和易泄露的局限性。

针对上述挑战，课题组发明了一种独特的液态金属-硅胶墨水，相应的多材料3D打印工艺可以制造全打印的液态金属基柔性电子设备。

这种液态金属-硅胶墨水是一种液态金属微滴和硅胶的浓缩混合物，具有独特的电气性能：初始状态不导电，但在机械激活（按压或冷冻）后导电。激活后的液态金属-硅胶墨水继承了液态金属出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应，是一种理想的柔性导电材料。同时，该墨水还具备出色的可打印性，能够在用简单的挤出打印设备实现柔性电路的高速度、高精度打印。此外，由于与常用的柔性材料——硅胶具有相同的组分，液态金属-硅胶墨水能与硅胶基底形成可靠的粘接，从而避免了局部破坏时导电材料的泄漏，提高了柔性器件的可靠性。液态金属-硅胶墨水的这些优点使得高效、高精度的打印高度可靠的液态金属基柔性电子器件成为了可能。

图：液态金属-硅胶墨水的制备和相应的多材料3D打印工艺

图：使用液态金属-硅胶墨水和相应的多材料打印工艺打印的柔性电子器件

图：利用液态金属-硅胶墨水独特的激活特性制造的按压/冰冻开关

我们通过特殊的墨水设计及多材料打印工艺解决了液态金属难以打印，液态金属易泄漏的难题，实现了基底及电路全部采用3D打印一次性成形。

本研究来自于课题组在3D打印领域长时间的积累及对细节的刨根问底。课题组自2016年布局可穿戴设备这一领域，希望从制造层面解决一些瓶颈问题。17年针对液态金属难以直接打印，我们提出了液态金属/柔性材料的共生打印，通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属时刻接触，抑制液态金属的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属3D打印（ACS

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7月27日消息，纽约大学阿布扎比分校高级微流体和微设备实验室 (AMMLab) 的一组研究人员开发了一种新型原子力显微镜 (AFM) 探针，它们具有真正的三维形状，他们称之为 3DTIP。

AFM 技术使科学家能够以前所未有的精度观察、测量和操作样品，甚至可以应用于微米和纳米级实体。另外，使用单步 3D 打印工艺制造的新 3DTIP 应用领域比硅基探针更广泛。

图片来源：CC0 公共领域

原子力显微镜 (AFM) 是一种通过在表面上扫描物理探针来表征样品的技术，产生令人印象深刻的分辨率，比光学显微镜所能达到的分辨率高 1,000 倍。AFM 是包括生物医学科学在内的许多学科的基本仪器，其应用范围从表征活细菌和哺乳动物细胞、分析 DNA 分子、实时研究蛋白质以及对分子成像直至亚原子分辨率。

AFM探针由一个末端带有微型尖端的微型悬臂梁组成，是该技术的核心。它通过吸引力和排斥力来感知和感受样品表面，就像我们使用指尖一样，但分辨率低至原子水平。商用 AFM 探针由硅制成，使用微电子行业中典型的传统半导体制造工艺，受到二维设计和冗长的生产步骤的限制。这些当前最先进的探头是刚性的、易碎的，并且只能以某些形状提供。它们不适合探测哺乳动物细胞等软物质。

在发表在Advanced Science杂志上的论文中，研究人员展示了他们用于生产基于双光子聚合 3D 打印的下一代 AFM 探针的专有技术。由此产生的 3DTIP 比基于硅的对应物更柔软，这使得它们更适合 AFM 应用，这些应用涉及与细胞、蛋白质和 DNA 分子的更温和的相互作用。重要的是，3DTIP 的材料特性使其能够实现比类似尺寸的普通硅探针快 100 倍以上的扫描速度。因此，3DTIP 可能会为获取实时捕获蛋白质、DNA 甚至更小分子的生物活性的视频打开大门。

“我们为下一代 AFM 探针开发了一种新技术，采用新材料、改进的设计和生产工艺、新颖的 3D 形状和定制原型，以实现以应用为中心的 AFM 探针的无缝生产周期，”该项目的负责人，纽约大学机械工程和生物工程副教授 Mohammad Qasaimeh 说：“只需一步即可生成具有创新 3D 设计的定制 AFM 探针，这提供了无限的多学科研究机会。”

“我们的 3DTIP 能够使用常见的 AFM 模式以及在空气和液体环境下获得高分辨率、高速 AFM 成像，”该研究的第一作者 AMMLab 和博士后助理 Ayoub Glia 说：“通过聚焦离子束蚀刻和碳纳米管内含物对 3DTIP 的尖端进行精炼，大大扩展了它们在高分辨率 AFM 成像中的功能，达到埃级。”

该研究的作者希望 3DTIP 的多功能功能可以将下一代 AFM 尖端带入常规和高级 AFM 应用，并扩大高速 AFM 成像和生物力测量的领域。

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