柔らかい熱および電気材料のための液体金属埋め込みエラストマーの3D印刷

液体金属埋め込みエラストマー（LMEES）は、室温で液体である金属合金の液滴が埋め込まれたソフトポリマーマトリックスで構成されています。これらのソフトマターコンポジットは、柔軟な電子機器、ソフトロボット工学、熱管理のアプリケーションに独自に適した弾性、電気、および熱特性の例外的な組み合わせを示します。ただし、LMEE構造の製造は、主にパターニングを単純な平面形状に制限する初歩的な技術に依存しています。ここでは、印刷可能なLMEEインクの直接インク書き込み（DIW）印刷のアプローチを紹介して、さまざまなデザインの3次元形状を作成します。酸素と反応して界面活性剤として作用し、3Dプリントの液滴を安定化する酸素と反応する液体金属として、ユートクティックガリウムインディウム（egain）を使用します。酸化物の皮膚を破裂させ、電気伝導率を達成するために、LMEEを粘弾性ポリマーに入れ、音響ショックを適用します。80％LM体積分率を持つ印刷された複合材料の場合、この活性化方法により、5×104 s cm-1（80％LM体積）の体積電気伝導率が可能になります。。さらに、トリボエレクトリックナノジェレータ（TENG）の強化された電荷移動を提供し、熱電子装置（TED）内の熱伝導率の改善を提供する3D LMEEインターフェイスを印刷する能力を示します。3D印刷されたLMEEは、ウェアラブルで、電気刺激を通じて皮膚に冷却/加熱を提供できる非常に柔らかいTEDと統合できます。

Liquid metal embedded elastomers (LMEEs) are composed of a soft polymer matrix embedded with droplets of metal alloys that are liquid at room temperature. These soft matter composites exhibit exceptional combinations of elastic, electrical, and thermal properties that make them uniquely suited for applications in flexible electronics, soft robotics, and thermal management. However, the fabrication of LMEE structures has primarily relied on rudimentary techniques that limit patterning to simple planar geometries. Here, we introduce an approach for direct ink write (DIW) printing of a printable LMEE ink to create three-dimensional shapes with various designs. We use eutectic gallium-indium (EGaIn) as the liquid metal, which reacts with oxygen to form an electrically insulating oxide skin that acts as a surfactant and stabilizes the droplets for 3D printing. To rupture the oxide skin and achieve electrical conductivity, we encase the LMEE in a viscoelastic polymer and apply acoustic shock. For printed composites with a 80% LM volume fraction, this activation method allows for a volumetric electrical conductivity of 5 × 104 S cm-1 (80% LM volume)─significantly higher than what had been previously reported with mechanically sintered EGaIn-silicone composites. Moreover, we demonstrate the ability to print 3D LMEE interfaces that provide enhanced charge transfer for a triboelectric nanogenerator (TENG) and improved thermal conductivity within a thermoelectric device (TED). The 3D printed LMEE can be integrated with a highly soft TED that is wearable and capable of providing cooling/heating to the skin through electrical stimulation.