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Aug 06, 2023

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Scientific Reports volume 13, numero articolo: 3914 (2023) Cita questo articolo 866 Accessi 2 Dettagli metriche altmetriche Combinazione di fluidità liquida e conduttività metallica, leghe di gallio-indio (Ga-In)

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3914 (2023) Citare questo articolo

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Combinando la fluidità del liquido e la conduttività metallica, le leghe di gallio-indio (Ga-In) stanno facendo scalpore in settori quali i circuiti elettronici estensibili e i dispositivi medici indossabili. Grazie all'elevata flessibilità, la stampa diretta con inchiostro è già ampiamente utilizzata per la stampa di leghe Ga-In. Attualmente, l’estrusione pneumatica è il metodo principale di stampa diretta con inchiostro, ma la pelle di ossido e la bassa viscosità delle leghe Ga-In rendono difficile il controllo dopo l’estrusione. Questo lavoro ha proposto un metodo per la stampa diretta con inchiostro di leghe Ga-In utilizzando l'estrusione guidata da microvibrazioni. La microvibrazione riduce la tensione superficiale delle goccioline di lega Ga-In ed evita la comparsa di goccioline casuali durante la stampa. Sotto microvibrazione, la punta dell'ugello perfora la pelle di ossido per formare piccole goccioline che hanno un'elevata modellabilità. Il processo di crescita delle gocce viene notevolmente rallentato ottimizzando adeguati parametri di microvibrazione. Pertanto, le goccioline di lega Ga-In con elevata stampabilità possono essere mantenute sull'ugello per un lungo periodo, migliorando la stampabilità. Inoltre, sono stati ottenuti risultati di stampa migliori con le microvibrazioni scegliendo l'altezza dell'ugello e la velocità di stampa corrette. I risultati dell'esperimento hanno dimostrato la superiorità del metodo in termini di controllo dell'estrusione delle leghe Ga-In. Con questo metodo viene migliorata la stampabilità dei metalli liquidi.

Le leghe a base di gallio, che sono metalli liquidi con bassi punti di fusione, sono comunemente utilizzate nell'elettronica flessibile1,2, nella sintesi dei materiali3,4, nell'elettronica estensibile5,6, nei sensori7,8 e in altri settori grazie alle loro proprietà fisiche uniche. Le capacità di stampaggio delle leghe Ga-In sono migliorate combinando la tecnologia di stampa 3D. Tuttavia, le leghe Ga-In vengono ossidate rapidamente nell'aria per formare una pelle di ossido naturale che è un materiale viscoelastico9. La pelle di ossido domina le proprietà reologiche e riduce la tensione superficiale10, che è la chiave per ottenere la stampa delle leghe Ga-In11. Nel processo di stampa 3D con leghe Ga-In ad estrusione pneumatica, la pelle di ossido provoca grandi goccioline di lega Ga-In sull'ugello, diminuendo la stampabilità12. Quindi, il processo di estrusione è difficile da controllare. La difficoltà di controllare l'estrusione fa sì che le leghe Ga-In generino goccioline di dimensioni casuali durante il processo di stampa. Queste goccioline di dimensioni casuali influenzeranno i requisiti di risoluzione13,14 e conduttività15 della struttura stampata. Pertanto, molti ricercatori hanno proposto metodi per evitare la creazione di goccioline di dimensioni casuali. Vengono adottati tre metodi per assistere l'estrusione pneumatica di metalli liquidi.

La stampa viene realizzata rompendo la pelle di ossido attraverso una forza esterna. Cook et al.16 hanno proposto che le goccioline venissero estruse ma non lasciate cadere controllando con precisione la pressione di estrusione, e che la forza di taglio tra le goccioline e il substrato fosse utilizzata per far aderire i metalli liquidi al substrato. Ladd et al.17 hanno rotto la pelle di ossido mediante forza di trazione per formare fili di metallo liquido indipendenti. Tuttavia, il metodo di distruzione della pellicola di ossido mediante forza esterna richiede solitamente requisiti più elevati per il processo di stampa, come il controllo preciso dell'altezza dell'ugello. Le caratteristiche reologiche dei metalli liquidi sono state modificate combinando materiali metallici o non metallici, consentendo al metallo liquido di mantenere la sua forma anche dopo l'estrusione. Wu et al.14 hanno proposto un inchiostro microgel liquido miscelando microgel di alginato di sodio, che ha ridotto l'enorme tensione superficiale e migliorato le prestazioni di adesione. Chan et al.13 hanno suggerito una pasta di metallo liquido riciclabile e reversibile combinando particelle di SiO2, che ha migliorato le proprietà di adesione dei metalli liquidi. Secondo Daalkhaijav et al.18 l’aggiunta di materiali conduttivi di nano o micro-nichel ai metalli liquidi migliorerebbe il loro modulo elastico e lo stress di snervamento e consentirebbe la stampa 3D. Il problema del controllo preciso del metallo liquido estruso può essere risolto efficacemente aggiungendo altri materiali, ma anche l'applicazione è limitata dai materiali aggiunti. La stampa con coestrusione coassiale è stata ottenuta riprogettando la struttura meccanica dell'ugello. Per ottenere un flusso di metallo liquido continuo e stabile, Khondoke et al.19 hanno sviluppato un ugello di coestrusione coassiale in grado di avvolgere il metallo liquido in un elastomero termoplastico ed estruderlo insieme. Wu et al.20 hanno suggerito un ugello coassiale con l'estensione interna dell'ugello per avvolgere ed estrudere il metallo liquido in modo costante ed efficace, in grado di acquisire la stampa di metallo liquido multi-risoluzione. Ma la struttura 3D non può essere stampata impilando goccioline di metallo liquido con questo metodo. Il metodo di cui sopra risolve parzialmente il problema della pelle di ossido nel processo di stampa del metallo liquido, ma il processo di stampa, i materiali o le strutture formate dal metallo liquido sono in una certa misura limitati. Al fine di ridurre l’influenza della pelle di ossido sui risultati di stampa senza limitare il materiale o il processo, abbiamo proposto un metodo di stampa 3D con microvibrazioni per l’estrusione di metallo liquido. Utilizzando questo metodo, la pelle di ossido della gocciolina viene rotta quando la gocciolina non si espande fino a raggiungere una dimensione sufficiente. Questo metodo eviterà efficacemente la comparsa di goccioline casuali nella struttura di stampa.