导读
最近，科学家探索出一种制作电子电路的创新方案，它利用了胶体和金属粒子的毛细管效应和介电泳效应，简单快速地制作出二维电子电路。
关键字
毛细管效应、介电泳、电子电路
背景
对于今天要介绍的创新发现，我们还是从一维颗粒和胶体材料的说起。目前这些材料已经引起了产业界广泛的兴趣，应用范围很广，包括导体颗粒、柔性可穿戴设备和电磁能量传输。
这种一维图案可以由颗粒组，或者单独的颗粒组成。相比于其它的方法例如光刻、胶体聚合等等，这种在电解液或者磁流变液中，使用场控制的组装方法形成粒子链，更加简单、高效、且可控。
然而这种方法的应用，特别是在电子设备制造方面，受限于两个主要因素。第一，就是这种组装一般会发生于散装液体中，无法控制链的位置。第二，为了维持形成的结构，通常需要持续的能量供应，一旦外部的电场消失，已经形成的结构就会瓦解。
所以，根据研究人员的说法，要突破这两个限制，一般需要特殊功能化的颗粒表面，例如DNA嫁接、聚合物交联剂以及电荷组设计等等方案。
创新
为了探索出更好的创新方案，最近波兰波兹南密茨凯维奇大学的ZbigniewRozynek和美国西北大学的ErikLuijten等科研人员组成的团队，发现了一种创新方法。这种方案十分简便，从胶体溶液中提取出一种能够自我维持结构的、可印刷的“粒子和胶体链”。
他们的论文发表于5月12日的《自然通信》杂志上。
Rozynek发现了这个“魔法”现象：
当他将一根针状电极插入硅油胶体溶液中，分散于其中的微米级的球形金属粒子，就会粘在电极针的末端。然而，当他将电极针从硅油中取出的时，另外一个球形金属粒子又会粘住第一个球形金属粒子，如此循环往复下去，就像排队一样形成一串，从而构成了一个球形金属粒子长链。
然而，更令大家感到惊讶的是：
这些粒子链形成以后，离开硅油溶液。研究人员便会撤销施加的电场，但是这种粒子链的结构，仍然会保持稳定，并不会瓦解。
技术
大家都会想了解为什么会形成这种现象，其背后的原理又是什么呢？
为了回答这个问题，我就结合研究人员的论文，从技术的角度给大家讲述一下。
首先，当带电的电极针插入溶液中以后，它会产生相应的电场，从而极化附近的金属球粒子，在介电泳效应的影响下，这些金属粒子就会链接到一起，最终形成一条长链。
然而，当外部电场消失后，这些链上的两个相邻粒子之间由硅油液体组成的“桥”相连接。由于这些液体桥产生毛细管效应，这些粒子构成的链的结构仍然会保持稳定，这就形成了一种无需外部能量，可以自我维持稳定的结构。
所以，这项技术的核心就是将介电泳效应和毛细管效应相结合。下图比较具体阐述了这一原理：
（图片来源于：参考资料）
(a)通过针状电极施加电场，粒子就形成了类似“珍珠项链”一般的链，然后从溶液中被拖出。
(b,c)位于空气和液体交界处的一个粒子，会经历向上的介电泳力Fe和向下的毛细管力Fsp。
(d)一旦粒子离开液体，它自动会形成球体和球体之间的液体桥，产生一个向上的力Fss。
通过上述讲述和这张图，大家应该可以基本了解原理了。接着，我们看看科学家们是如何通过实验实现这一效果的，还是先看一张图：
（图片来源于：参考资料）
(a–c)将导电粒子链从涂有银的二氧化硅空心球体（半径30μm,密度0.17gcm3）从硅油（黏度mPas,密度0.96gcm3）中拖出。电极首先插入到溶液中，然后施加交流电压(V,f=20kHz)，随着电极针位置的抬升，导电链从溶液中被拖出。
(d)包含几百个粒子的约3厘米长的导电粒子链可在一分钟内形成。
另外，研究人员用这个方法，对于一些列不同直径的粒子，从nm到μm，进行了相关研究。
a)nm;(b)15μm;(c)25μm;(d)55μm;(e)μm;(f)μm.
（图片来源于：参考资料）
价值
这项技术会产生什么样的价值？
当然，最主要的还是解决了背景部分中所提及的问题。
然后，我们具体点讲讲它的应用。一旦这种粒子链被从液体中拖出，它可以立即在物体表面形成各种图案，这种方法可以用于制造二维电子电路。
研究人员在论文中进行了演示，如下图所示，一共展示了字母C、S、L三种形状的图案。通过这种二维图案的制作方法，研究人员称，可在任意物体表面形成粒子电路，并且无需对于粒子进行预处理。
（图片来源于：参考资料）
这种链可以简单而快速的固化成形，这种凝固可以通过冷却（例如：预熔的固体石腊）或者化学固化（例如：对于温度或者紫外线敏感的环氧树脂）。
研究人员展示了两种不同凝固方式的粒子链，分别是由分散在液体树脂和液体石蜡中的导电微粒组成。前者的凝固需要几分钟时间，而后者则可以达到几秒钟的时间。下图展示了分别由凝固的石蜡（a）和凝固的树脂（b）覆盖的链。
（图片来源于：参考资料）
总结一下，这种方案拓展了新的基础和应用研究领域。它除了可制造出一些胶体结构，还可用于很多应用领域，例如电子电路制造，制作出位于不同基板上的导电图案，为新一代电子电路的制造开辟了新的途径。
参考资料
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