半空间中的复杂多尺度的电磁散射仿真

在科技飞速发展的当下，柔性电子领域不断传来令人振奋的消息。今天，咱们就来深入了解一项极具创新性的研究成果 —— 可直接打印且具有粘性的液态金属墨水，它在可穿戴设备领域展现出了巨大的潜力。研究背景：传统与挑战并存传统电子设备大多 “硬邦邦”，缺乏柔韧性和适应性，在很多需要灵活、可拉伸特性的场景中显得力不从心，尤其是在可穿戴设备领域。想象一下，戴着一块生硬的电子设备在身上，不仅不舒服，还会限制活动，这样的设备很难贴合人体复杂的轮廓，也无法在经常变形的人体表面正常工作。液态金属，比如镓铟合金，因其良好的流动性和出色的导电性，成为制造柔性、可拉伸电子产品的理想材料，在软机器人、可穿戴设备和人机交互等前沿领域备受关注。但它也有自己的 “小脾气”，表面张力高，就像有一层无形的 “保护膜”，导致直接书写时难以形成连续的图案，而是变成一个个不连续的小球；同时，它的表面粘附性低，很难附着在像纸、Ecoflex 这样的常见材料上，这大大限制了它在柔性电子领域的应用。为了解决这些问题，科研人员想了很多办法。其中一种策略是将纳米或微米级的液态金属颗粒与聚合物基质结合，制成高性能的液态金属复合墨水。这种墨水虽然保留了液态金属的导电性，还能通过聚合物增强加工适应性和稳定性，支持多种柔性制造工艺，不过它也存在一些缺陷。比如，直接书写的图案通常不导电，需要施加压力让颗粒聚集才能导电，而且导电图案的分辨率有限且不稳定，导电通路在长时间使用中还需要外部刺 激才能激活，使用起来不太方便。研究成果：创新墨水带来新机遇面对这些难题，深圳大学的科研团队另辟蹊径，开发出了一种简单又经济的方法。他们将二氧化硅（ ）颗粒机械地混入液态金属中，成功制备出了可直接书写且可回收的液态金属 - 二氧化硅（LMS）墨水。墨水特性在搅拌过程中，液态金属表面的氧化层会附着在二氧化硅颗粒表面，消耗原有的氧化层。与此同时，液态金属中的镓会与空气中的氧气反应，快速形成新的氧化层，这不仅增强了液态金属与基底的粘附力，还让 LMS 墨水能直接在纸、Ecoflex 等多种材料上打印。而且，添加二氧化硅颗粒后，LMS 墨水的导电性依然良好，1wt% 的 /LM 的 LMS 墨水电导率可达 ，虽然比纯液态金属略低，但足以满足实际应用需求，并且无需外部刺 激就能形成导电通路。这种墨水还有个超实用的特点 —— 可回收。用无水乙醇就能轻松擦掉打印的图案，回收的 LMS 墨水经过处理后可以多次重复使用。研究显示，质量分数为 1wt% 的 /LM 的 LMS 墨水在添加 1M HCl 溶液后，液态金属的平均回收率达到 96.7%；质量分数为 3wt%、6wt% 和 10wt% 的 LMS 墨水，回收率更是高达 98.7%、99.1% 和 98.8% 。打印性能从打印性能来看，LMS 墨水表现也十分出色。它的分辨率高达 165μm，能在各种基底上打印出精细的图案。研究人员通过调整打印参数，像打印速度、高度、挤出压力，以及选择合适的针头内径，找到了最佳打印参数组合：打印速度为 ，挤出压力在 150 - 160kPa 之间。在这个参数范围内，能打印出连续、均匀的线条，打印效果最佳。有了最佳参数，复杂图案的打印就不在话下。无论是深圳大学的校徽、汉字 “龙”，还是花卉图案、卡通形象，LMS 墨水都能精准打印在不同的基底上，如 PET、PVC、玻璃、纸张、PDMS 等。而且，打印的图案还能轻松擦掉重写，真正实现了可重复使用。传感性能用 LMS 墨水制成的应变传感器，在电气传感性能方面同样优秀。它对不同应变、温度、手指压力频率下的相对电阻变化响应灵敏，具有良好的稳定性和重复性。在 0 - 300% 的应变范围内，传感器呈现出多个线性响应区域，应变系数（GF）在不同应变区间表现稳定。比如在 0 - 50% 应变范围内，GF 达到 0.05。即使经过 100 次连续拉伸循环，传感器的信号依然稳定，几乎没有波动。在温度敏感性测试中，随着温度从 25°C 升高到 95°C，传感器的电阻值相应增加，并且在特定应变和力负载下，响应时间短、恢复时间快，展现出卓越的机电性能。实际应用在实际应用中，基于 LMS 墨水的应变传感器表现堪称惊艳。它能贴在手指、手腕、肘部、膝盖等人体部位，精准监测各种生理运动和生物信号。当手指弯曲时，传感器能根据弯曲频率和角度准确输出相对电阻信号；通过与摩尔斯电码结合，还能在危险环境中发送求救信号和传递关键信息，像 “SOS”“HELP” 等。不仅如此，LMS 墨水还能用于构建可拉伸的电子设备和实现人机交互。研究人员在 Ecoflex 基底上打印电路，制作出带有 LED 的电子设备，拉伸后 LED 依然能正常工作，证明了电路的可拉伸性。将 LMS 应变传感器安装在手套上，制成体感手套，就能实时控制商用机器人手的动作。当佩戴者做出 “OK”“鼓掌”“胜利” 等手势时，机器人手能几乎同步做出相同动作，实现了精准的人机协同操作。图文导读总结展望：前景广阔，未来可期这项研究通过将液态金属与二氧化硅混合，制备出了性能优异的 LMS 墨水，为可穿戴设备和柔性电子领域带来了新的发展方向。LMS 墨水不仅解决了液态金属打印的难题，还具备可回收、可重复书写的特性，降低了制造成本，符合环保理念。用 LMS 墨水制成的应变传感器，在健康监测、应急通信和人机交互等方面都展现出了巨大的应用潜力。不过，目前这种技术在实际应用中还有一些需要完善的地方。比如，在长期佩戴时，要进一步优化传感器的封装，防止液态金属泄漏；同时，还需要提高大规模生产的效率和质量，降低生产成本，让这项技术能更快地走进人们的日常生活。可以预见，随着研究的不断深入，LMS 墨水及其相关技术将不断完善和创新。未来，我们或许能看到更多基于 LMS 墨水的可穿戴设备，它们将更加舒适、智能，为人们的健康监测和生活便利提供全方位的支持；在人机交互领域，也将实现更加自然、高效的互动方式，让科技与生活更加紧密地融合*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公 众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!来源：微波工程仿真