磁控液态金属三维无泄漏可编程结构及电子器件的创新构建

本文突破性地提出了一种磁控液态金属（MLM）复合材料的制备方法，通过将硬磁颗粒（NdFeB）掺入液态金属（LM）形成多孔磁网络，结合磁场编程技术实现了三维（3D）无泄漏结构的精准构筑。该技术解决了传统LM因流动性导致的图案化难题，所制结构兼具高导电性（1.9×106 S·m?1）、形状可重构性（3D-2D双向转换）和自修复特性，在柔性电子（如可编程天线）和生物医学器件（如无线能量采集）中展现巨大潜力。

　　

磁控液态金属的三维无泄漏构建与可编程特性

摘要
液态金属（LM）因其高导电性和液态流动性成为柔性电子和软体机器人的理想材料，但传统技术受限于二维（2D）图案化和泄漏问题。本研究通过将钕铁硼（NdFeB）颗粒掺入镓（Ga）基LM形成磁化复合物，利用多孔磁网络的强磁吸引力（M_R≈19.89 emu·g^?1）和LM表面张力协同作用，首次实现了复杂3D结构的无泄漏构建。

1 引言
现有LM图案化技术（如微通道填充、直写印刷）需后封装防止泄漏，且难以适应非平面基底。磁控液态金属（MLM）通过25 wt.% NdFeB掺杂形成稳定浆料，其电导率达1.9×10⁶ S·m^?1，接近纯Ga（3.06×10⁶ S·m^?1）。差示扫描量热（DSC）显示其熔点为28.91°C，超冷度显著降低，加速室温固化。

2 结果

2.1 3D MLM结构的制备与表征
半开放式弹性体模具结合机械屈曲编程可制备多种3D结构（如笼状、星形）。扫描电镜（SEM）显示NdFeB颗粒定向排列形成多孔网络，Ga填充其间（图1B）。压缩测试表明25 wt.%掺杂样品可承受425倍自重（150 g负载），而20 wt.%样品在80%应变时泄漏。

2.2 形状可重构性
高频感应加热（100 kHz）通过涡流效应使3D结构熔化为2D，磁辅助编程可逆重构。以"花朵"结构为例，其3D-2D转换后形状存储率（ε_w）达99.92%，高度保持率（ε_h）99.16%（图2D）。

2.3 力学与自修复性能
固态Ga与磁网络协同赋予结构抗压性（杨氏模量4.65-8.93 kPa），与生物组织（皮肤5 kPa）兼容。断裂的星形图案通过磁吸引和局部加热实现电导率恢复，LED电流即时复原（图4D）。

2.4 无线通信与能量采集应用
螺旋MLM天线在13.57 MHz谐振频率下，3D构型反射系数（S₁₁=?12.77 dB）优于2D（?11.69 dB）。NeuroLux系统驱动时最大 harvested power达714.05 mW，智能手机NFC通信有效传输"Hello World!"信息（图5F）。

3 结论
该技术为可重构电子器件提供了新范式，未来可通过提高分辨率拓展至微型植入式设备。

4 实验方法
NdFeB颗粒（5 μm）与液态Ga机械混合后4 T磁场磁化。弹性体模具采用Dragon Skin 10 Slow树脂3D打印，压缩屈曲编程应变速率1 mm·s^?1。天线性能通过矢量网络分析仪（TTR503A）测试。