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纸和折纸进入工业和日常生活已经成为人类文明的一个标志。然而，折纸的性能受到组成材料特性的限制，包括长期弯曲、电导率和导热率。这里，作者们报告了一种将液态金属直接大规模附着到非湿润基板上的新方法，通过在制造过程中控制施加的力来调节增强纸的机械和电性能。解释了不同液态金属（eGaIn 和 BiInSn）与非润湿基板通过力的粘附机理。此外，基于增强纸的多功能折纸结构可以在几种变形模式之间切换，并包括用于接收和发射电磁信号的形状记忆天线。这项工作提供了一种开发可穿戴测试平台、柔性设备和软机器人应用的多功能纸张的通用方法。
本文亮点
1. 一种仅依靠力响应黏附就能在不同类型的纸张上直接印刷液态金属的大规模快速制备方法。
2. 增强纸的多功能折纸结构具有可穿戴测试平台、柔性设备和软机器人的潜力。
背景介绍
纸，可以从天然纤维素纤维获得，是公认的文明标志。蔡伦发明的植物纤维纸被认为是中国古代智慧的结晶。由于纸张具有良好的可降解性、可吸收性和柔韧性，目前已广泛应用于艺术、教育、印刷等领域。值得注意的是，材料非常薄的厚度使得它非常容易弯曲、折叠和扭曲，并创造了一种新的艺术风格，称为折纸，这是一种简单而高效的方式，将 2D 材料转化为 3D 功能结构。使用这种方法，可以很容易地设计和实现与传统材料不同的结构，如智能传感材料，负泊松比材料和刚度可调材料。传统的折纸结构通常是用一种薄材料构建的，包括但不限于纸张和聚合物。然而，由于这些材料较差的机械刚度和导电性，折纸结构的应用通常受到限制，尤其是当涉及到高承载能力或多功能的设备时。虽然有一些技术可以通过在原始生产过程中添加其他组件来生产纸张，但如何在普通商业纸张上实现包括导热/导电性和刚度可调在内的综合性能增强尚未得到深入研究。因此，如何根据应用需求，建立一种可以直接增强普通纸张性质的通用方法，从而大幅降低成本地获得纸张，简化折纸结构的制备，是需要解决的关键问题。
液态金属作为液体具有优良的流动性，同时又具有金属的良好导电/导热性，目前广泛应用于柔性电子，可穿戴设备，生物医学治疗和软机器人等领域。此外，液态金属的特性使其与传统材料的复合成为可能，并赋予液态金属全新的特性。然而，液态金属极高的表面张力导致绝大多数材料难以润湿，包括纸张。为了克服这一缺点，研究人员尝试将液态金属与粘性液体混合，以提高其与基材的黏附性，从而实现稳定连接。此外，将液态金属附着在粘合剂（如 PMA 胶水）上的转移印刷方法也被报道为一种将液态金属与各种基材结合的有效方法。封装也被证明是构建液体金属智能材料（如 E-skin：电子皮肤）的有效方法。然而，这些方法依赖于在液态金属和基板之外添加其他材料，这可能会使制备过程复杂化，并会牺牲材料的电气、热或机械性能。
图文解析
1. 液态金属在非湿润基板上的力响应粘附
图1│液态金属增强纸的制备与表征
Video│eGaIn 增强纸张的制造过程
2. 不同液态金属的黏附行为及机理
图 2│BiInSn 涂层增强纸张基板
图3│eGaIn和BiInSn的黏附模式
3. 液体金属增强纸的应用
图4│增强型纸张的应用
总结与展望
综上所述，本文提出了一种直接将液态金属与普通纸张衬底结合的快速制造方法。采用这种方法，只需调节在制备过程中施加的力，就可以得到具有不同外观和性能的功能增强纸。揭示了两种不同类型的液态金属（镓基液态金属和 BiInSn）与非润湿衬底之间通过力的黏附机理，可从理论上指导液态金属与其他材料的复合设计。对其力学性能和电学性能进行了评价，证明了该材料可以通过控制温度在柔性和刚性状态之间进行切换，具有与纯液态金属相同的导电性能，且无明显损耗。此外，经不同力处理的增强型纸张显示出完全不同的热和反射性能，使其成为智能热成像设备和特殊显示设备成为可能。这种简单的方法为未来的可穿戴测试平台和柔性设备以及软机器人提供了一种新的材料选择。
文献来源
B. Yuan, X. Sun, Q. Wang, H. Wang, Cell Rep. Phys. Sci. 2023. Direct fabrication of liquid-metal multifunctional paper based on force-responsive adhesion.
作者介绍
汪鸿章，清华大学 2021 届博士毕业生，师从刘静教授。以（共同）第一作者/通讯作者身份在 Matter, Advanced Materials 等期刊发表论文 16 篇，获授权国家发明专利 10 项，曾获清华大学研究生特等奖学金、清华大学优秀博士毕业生、北京市优秀毕业生等荣誉，博士学位论文获清华大学优秀博士学位论文、北京市优秀博士学位论文。现为清华大学特别研究员、博士生导师。
袁博，现于清华大学医学院从事博士后工作。本科毕业于清华大学工程力学系（钱学森力学班），2021 年于清华大学医学院生物医学工程系获得工学博士学位。主要研究方向为室温液态金属及其复合材料的刚度调控及表界面行为调控。以第一作者（含共同）在 Advanced Functional Materials、Materials Horizon、Engineering 等期刊发表学术论文 7 篇，累计授权发明专利 5 项，主持国家自然科学基金青年项目 1 项。曾获博士研究生国家奖学金、清华大学校设奖学金等奖励。
