接触角调控实现共晶镓铟氧化物残留物无损剥离的新机制

《Nature Communications》：Residue-free peeling of EGaIn oxide enabled by contact angle control

本研究针对镓基液态金属（GBLM）因其表面纳米级氧化层强粘附性导致难以无损剥离的难题，开展了通过接触角控制实现共晶镓铟（EGaIn）氧化物残留物无损剥离的机理研究。研究人员通过实验与理论分析发现，当接触角θ≥40°时可实现清洁剥离，而θ<40°会因氧化皮机械断裂导致失效。该工作为液态金属界面力学提供了新见解，对柔性电子器件微加工具有重要意义。

　　

镓基液态金属（GBLM）如共晶镓铟（EGaIn）因其独特的流体特性、高导电性和低毒性，已成为软体机器人和可拉伸电子器件领域的明星材料。然而这些材料在空气中会瞬间形成约3纳米厚的氧化镓（Ga₂O₃）表皮，这层"皮肤"既赋予了液态金属可图案化的能力，也带来了强烈的界面粘附问题。当尝试将液态金属从基底分离时，氧化皮往往断裂并残留于基底表面，这一难题严重制约了液态金属在精密器件中的应用。

传统解决方案包括表面粗糙化、纳米粒子涂层和化学处理等方法，但均存在局限性。尤其令人困惑的是，在某些情况下液态金属结构能在拉力作用下完整剥离，而在其他情况下却不可避免地留下残留物。这种不确定性背后隐藏着怎样的物理机制？韩国科学技术研究院、延世大学和北卡罗来纳州立大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究，通过巧妙的实验设计和理论分析，揭示了接触角在这一过程中的决定性作用。

研究团队建立了精密的剥离实验装置，采用上下平行板结构创造可控的液态金属薄膜。上板部分区域覆盖砂纸减少粘附，特定区域使用胶带实现强粘附，下板为玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光滑表面。通过注射泵以低于0.1μL/min的速率注入EGaIn，形成厚度500μm的液膜。上板缓慢提升过程中，利用高速相机观察接触线运动，并通过撒布二氧化硅颗粒作为标记物追踪氧化皮行为。

关键发现表明，剥离成功率高度依赖于接触角θ值。当θ≥40°时，氧化皮能保持光滑弯曲形态顺利剥离；而当θ<40°时，氧化皮在接触线处发生机械断裂，形成楔形结构导致失效。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观测显示，成功剥离案例中界面呈现均匀弯曲（曲率半径约85°），而失败案例则显示氧化皮折叠和塌陷的紊乱结构。

理论分析方面，团队建立了基于薄板弯曲理论的力学模型。分析表明，最小曲率半径R_O∝[EI(1+cosθ)/G(1-sinθ)]^1/2，其中E为氧化镓杨氏模量（约4GPa），I为截面惯性矩，G为剥离能（约0.1J/m²）。临界断裂曲率半径R_Y≈Et/σ_Y≈60nm，当R_O<R_Y时氧化皮发生断裂。这一预测与实验观测高度吻合，解释了为何小接触角条件下剥离必然失败。

基于此机理，团队开发了卷对卷转印技术，通过保持大接触角条件，成功实现了EGaIn线阵列的无残留转移。该方法使用聚酰亚胺（PI）胶带作为接收膜，三个滚筒系统确保供体基底与接收膜同步运动，在约0.1mm/s速度下完成清洁转移。

这项研究首次揭示了接触角调控对液态金属氧化物剥离行为的关键影响，建立了基于界面弯曲力学的理论框架，为液态金属在柔性电子、微流控系统和可重构器件中的精确加工提供了重要指导。该机理不仅适用于EGaIn体系，对理解其他液态金属材料的界面行为也具有普适意义。