作者:王晨绯 来源:中国科学报 发布时间:2015/10/19 10:53:51
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记中科院理化所刘静团队:在液态金属海洋里遨游

刘静在向国家自然科学基金委主任杨卫讲解科研成果。

■本报记者 王晨绯

我们徜徉在液态金属研究的海洋里,既因科学发现的收获而感到快乐,也因技术的突破而感到踏实。

近日,中国科学院理化技术研究所刘静团队又提出了一种液态金属液固相变转印方法,可用于快速制造易于贴合到任意复杂形状表面的柔性功能电子器件。

直接利用液态金属制备各种柔性电路仍面临烦琐、耗时、稳定性低等挑战,尚不易快速制得实用化柔性功能器件。为了解决这一问题,中科院理化所助理研究员王倩以及清华大学医学院博士后于洋,在刘静的领导下,历时九个月突破了以往存在的技术瓶颈,建立了基于低温相变转印的液态金属柔性功能电路快速制造方法。

自然界的馈赠

刘静和他的团队首先利用液态金属打印机在PVC(聚氯乙烯)膜表面打印出液态金属电路;之后,在此电路上进一步覆盖PDMS(聚二甲基硅氧烷)溶液并加以固化。

“为了将液态金属电路完全从PVC膜转印到PDMS膜上,我们尝试过火烧、有机溶剂溶解等很多方法,可是都不尽如人意。”王倩认为这是他们经历的第一个难点,也是需要突破的关键点之一。

在多次尝试以后,她灵光闪现:如果采取低温冷冻的方式呢?果然,当将整个实验对象加以降温时,液态金属电路转为固体,而在此过程中即可轻易地将最初的液态金属电路完整、快捷地转印到PDMS柔性基底上。

“如果需要的话,可以在PDMS尚处液态时,在其上浸没入任意形状的待贴附目标物体,就可以实现更加复杂的应用。”王倩将红外温度传感器等元器件组装在其上,形成了一块可以测温的透明柔性薄膜。“此时在相应管脚贴上相应IC元件并加以编程调试,即可制成功能电子器件。由于PDMS基底形状可完全与使用对象紧密贴合,由此即达到电子器件的高度适形化制造。”

在实验室里,王倩将一块巴掌大小的透明PDMS电路任意弯曲、折叠,其都能很好地运行工作。刘静告诉《中国科学报》记者,该技术在医疗健康、家居、环境等应用场合的传感监测方面有重要意义,相应器件易于贴合到诸如膝盖、脚腕、手掌、面颊、头部、耳廓以及更多复杂形状表面,执行特定功能。

相较于传统的硬质电路,柔性电子具有重量轻、韧性好以及可承受一定形变等优势,这使其应用范围更为宽广。基于相变转印原理的液态金属柔性电路加工方法突破了传统工艺的局限性,更加简便、快捷、稳定,并与现有集成电路技术较为兼容。除了能以高质量快速加工以满足可穿戴设备、皮肤电子、医学植入、柔性显示、太阳能电池板等诸多前沿需求外,新方法的重要意义还在于,随着液态金属打印技术的普及,人们将有望随心所欲地在任意物体表面实现各类柔性功能器件的定制化快速开发。

“液态金属是一种神奇的材料,是自然界无私的馈赠。”一提起液态金属,刘静脸上就会显露出抑制不住的兴奋和激动。实际上,他带领团队早在2002年就启动了液态金属冷却芯片的研究,后又在液态金属印刷电子学领域深耕多年。他们凭借长期的基础研究与技术积累,先后发展出系列功能化液态金属墨水,并于2013年研发出世界首台液态金属个人电子电路打印机,由此建立了一条快速制备电子电路的变革性途径,也打开了直写柔性功能器件的新大门。

偶然和必然

当记者问及他近年来能在液态金属领域不断推陈出新的原因时,刘静陷入了沉思。

十多年前时,为寻找到一种全新的芯片降温途径,他几乎穷尽一切可能去尝试和摸索,这导致后来液态金属芯片冷却方法的提出,以后又引发了一系列基础发现和技术上的突破,开辟出更多全新的领域。

“科学研究存在不确定性,长期坚持,必然会有所成。即便这次不成功,未来也会在某个时刻实现突破。”刘静坚信机遇会垂青有准备的人,科学发现就是偶然性与必然性的统一。

“在研究中总有这样的情况,实验过程中偶尔会触及到一些奇怪的特性,如果缺乏探究精神,那可能会把其当成一种司空见惯的现象,而对于积累和素养深厚的实验室而言,任何蛛丝马迹一般都不会轻易流失。”刘静和团队成员一再强调,要把“头脑”准备好。

理化所地处科研院所云集、学科交叉融合紧密的中关村地带,刘静带领着该所低温生物与医学实验室和清华大学医学院小组两个团队。他介绍说:“中科院理化所实验室在工程热物理、材料和流体方面比较有优势,清华大学医学院小组在电子、生物医学工程方面实力很强。两边的学生也就经常‘串门’做实验,两个小组之间能形成有效互补。”他坚持让学生将看似八竿子打不着的东西联系到一起,这是他带领的科研团队的交叉特色。

《中国科学报》记者发现,在刘静的影响下,该团队成员都具备了良好的思维习惯。于洋是刘静团队的一名博士后。采访过程中,他就会不时表达出一些让人耳目一新的观点。

科研苦行僧

除了天马行空地进行科研想象,刘静以身作则地践行着科研苦行僧的生活。“即使是科研基础好,也一定要勤奋。”他笑称自己只要在北京就没办法进入休息状态。

“老师的工作精神让我们敬佩。实验室最后一个走的人总是他。他常随身携带一支笔,以便随时随地帮我们修改论文。”2013年大年三十吃团圆饭的时候,刘静还在饭桌上修改文章,为的是将实验室之前未完成的论文修改稿在凌晨前投递出去,而他们过完年就收到了文章已被接受的好消息,成为一段佳话。

刘静会经常思考一些科技史问题,也常常和团队成员分享感受。科技发展到今天为止,真正突飞猛进是近两三百年,以后还有无尽空间。这个时代对科技工作者而言是一个巨大的挑战,也是机遇,刘静鼓励团队的每个成员努力争取成为主角。

刘静团队的成员心里都有一幅蓝图:液态金属能够进入人们生活的方方面面,满足各种需求。

“我们徜徉在液态金属研究的海洋里,既因科学发现的收获而感到快乐,也因技术的突破而感到踏实,可以说满足了科学好奇心和服务世界的双重需求。”刘静们的幸福也因此不言而喻。

《中国科学报》 (2015-10-19 第7版 学人)
 
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