纳米医学和材料科学与工程系的同事们开发了一种非常规的3D打印方法

在最近的一项关于材料科学和纳米医学的研究中，Young-Geun Park和大韩民国纳米科学，纳米医学和材料科学与工程系的同事们开发了一种非常规的3D打印方法。科学家们设计了一种高分辨率，可重新配置的3D打印策略，使用液态金属形成可拉伸的3-D结构。使用该技术，他们使用直接印刷和印刷图案形成最小线宽1.9μm，以重新配置成各种3-D结构，同时保持原始分辨率。

他们多次进行重新配置，以生成薄氧化物界面，并在环境条件下保持材料的电气特性。独立式功能可以封装在可伸缩的保形配置中。Park等。以可重构天线的形式展示应用，通过改变几何形状和可逆移动的互连来调谐，以将结构用作机械开关。独立的3-D结构有利于最小化互连之间的数量和空间，以实现更高的集成度，如microLED阵列所示。结果现在发表在Science Advances上。

形成具有高分辨率，高纵横比和最小位移误差的3-D导电结构的先进技术对于提高器件完整性非常重要。设备可变形性是自由形式电子设备的关键考虑因素，包括可拉伸电子设备，可穿戴电子设备，软驱动器和机器人技术。这些电子设备通常需要具有可移动的任意形状的构造，例如关节或臂，或生物体的软表面。用诸如硅的常规材料实现这种可拉伸装置由于其脆性而成为挑战。因此，材料科学家开发了各种导电材料，具有优良的拉伸性，呈波状薄金属，金属网络和弹性复合材料，但这些工艺无法形成可扩展的3-D结构。此外，3-D印刷和热退火金属相对坚硬且刚性，导致对柔软的组织状基材的损坏。

相比之下，液态金属如共晶镓铟合金(EGaIn)或镓铟锡合金(Galinstan)本质上是可拉伸的，具有低毒性和极小的挥发性，具有极好的导电性 - 与固体金属相当。使用喷嘴的直接油墨印刷可以通过将液态金属液滴彼此堆叠而在室温下形成独立的3-D结构，但是所得到的分辨率不适于构建电子器件。因此，在目前的工作中，Park等人。报告了一种采用液态金属的高分辨率印刷方法，可在环境条件下通过喷嘴直接重新配置成3-D电极图案。

在实验装置中，Park等人。将喷嘴连接到墨水容器或压力控制器。材料科学家使用EGaIn(75.5%镓和24.5%重量的铟合金)作为墨水并控制喷嘴尖端和聚合物基材之间的距离以输送墨水。使用扫描电子显微镜(SEM)，他们观察了印刷有复杂2-D和3-D几何形状的EGaIn图案，并使用该技术印刷更多样化的图案，例如高分辨率的电路互连。

在通过喷嘴直接印刷EGaIn后，科学家们将喷嘴尖端抬起，重新定位到基板的所需位置，以继续打印。在剥离期间，氧化皮的断裂能将喷嘴尖端连接成“绳索”。Park等。测量不同直径长丝的最大速度，以展示不同的例子，并形成具有可重复重新配置的2-D和3-D特征。在重新配置过程中，科学家们可以从基板上直立提升预印的灯丝，而不会使结构破裂。观察到的稳定电极可以承受电负载，从而在电子设备中变得越来越集成和小型化。为了验证EGaIn电极作为互连的适用性，Park等人。之后进行电击穿测试。

当他们应用DC或AC偏压来监测电击穿时，实验装置中的温度过高会影响EGaIn 3-D特征的机械稳定性。构建体在500保持它们的初始自由站立3-d结构而不结构崩溃0 ℃30分钟。在室温下反复加热和冷却后，由于氧化物壳和EGaIn芯之间的热膨胀，3-D特征的氧化皮略微起皱。Park等。测试了直接印刷和重新配置的液态金属的电接触，并测量了总电阻对印刷通道长度的依赖性，表明EGaIn图案的电阻在环境条件下随时间显着增加。

作为本工作中开发的可重构电子器件的原理验证，Park等人。展示了可重构天线的形成，该天线具有通过改变其几何形状来改变其共振频率和辐射特性的能力。为此，科学家们通过直接印刷EGaIn在载玻片上形成了双线圈天线结构。在重新配置期间，EGaIn形成了一个三维桥接互连，其共振频率是科学家们首先确定的，然后用于选择性地操作具有红色，绿色和蓝色光发射的三种不同的发光二极管(LED)。可重新配置的独立式互连在重复分离和连接多个重新配置步骤期间保持其在3V下可靠地操作所有LED的阻力。

使用重新配置过程形成的独立式3-D互连有利于在单个XY平面中构建交叉几何形状，而不是使用多个层从而防止不期望的电接触。为此，Park等人。展示了EGaIn的横向和纵向互连，用于柔性聚合物薄膜上的4×4阵列microLED，以防止短路。使用该方法，Park等人。最小化集成在微型器件中的互连数量，因为3-D模式可以有效地最小化互连的数量和空间。

通过这种方式，Young-Geun Park及其同事展示了使用液态金属的高分辨率3D打印技术，并展示了其应用于传统工程难以实现的可拉伸3-D集成。与现有的3-D印刷技术相比，该方法可以形成具有可重构图案的精细，独立的电极3-D结构。例如，Park等人。设计了一种能够改变其共振频率的可重构天线通过几何变化。他们还展示了可逆移动的3-D互连作为机械开关，可以在小型化设备中实现更高的紧凑集成。科学家们期望高分辨率3-D重新配置方法为高度集成和可拉伸的下一代电子设备提供有前途的新增材制造策略。