东华大学朱美芳院士团队潘绍武研究员《AM》：超结构纤维—液态金属与微纤维互锁，实现高导电、应变稳定的智能纤维

随着可穿戴电子技术的快速发展，智能手表、健康监测设备和智能衣物等已逐渐融入大众生活。作为智能织物的核心部件之一，导电纤维在传感、信号传输及器件互连等方面发挥至关重要的作用。然而，在智能纺织品中实现高导电性、大拉伸性并保持稳定的电学性能，仍面临诸多挑战。

近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室&材料科学与工程学院的朱美芳院士、潘绍武研究员等，开发了基于液态金属-微纤维互锁的高导电且超稳定的超结构纤维。作者发现液态金属与微米纤维膜互锁结构显著增强了界面粘附力，使涂有Cu-EGaIn液态金属的微米纤维膜之间能够承受高达150%的应变。在此基础上，通过卷绕工艺将Cu-EGaIn涂层的微米纤维膜制成自支撑且自封装的超结构纤维。该纤维不同于传统的可拉伸导电纤维，如将导电材料均匀复合或涂覆于纤维表面，或作为芯层形成同轴结构。本工作研发的纤维采用可变形且具有金属导电性的液态金属材料作为导电层，并巧妙利用微米纤维膜的多孔特性，在纤维内部形成大面积的Cu-EGaIn凸起结构，从而确保在应变条件下保持稳定的导电性。

超结构纤维的制备包括以下几个步骤：（1）静电纺丝工艺制备多孔微米纤维膜；（2）在微米纤维膜上刮涂液态金属，液态金属在压力作用下渗入纤维膜孔隙，形成凸起结构；（3）通过卷绕的方法，将复合膜制成螺旋层状的超结构纤维。在纤维内部，嵌入微米纤维膜孔隙的液态金属层具有大面积的突起结构。这些突起在受到应变时变平，补偿了有效导电体积，从而实现应变不敏感的电导。该超结构纤维表现出优异的电导率（1.5×10⁶ S/m）和应变不敏感特性（100%应变下，∆R/R₀=0.16），其综合性能优于绝大多数可拉伸导电纤维。

两片涂覆Cu-EGaIn液态金属的微米纤维膜连接后，可承受高达150%的应变。界面粘附力测试表明，液态金属与微米纤维膜的互锁结构显著增强了界面粘附力。基于强大的界面粘附，通过卷绕工艺制备的Cu-EGaIn涂层微米纤维膜形成了具有自支撑和自封装特性的超结构纤维，其截面呈现典型的螺旋结构。

超结构纤维具有1.5×10⁶S/m的高电导率，在100%应变下相对电阻变化仅为0.16，比同轴结构的液态金属纤维或理论预测的电阻变化小18倍，表明了纤维的超高电稳定性。此外，纤维在受压或在酸碱环境中仍保持优异的导电性。超结构纤维可以容易地通过溶剂回收再利用。这种可回收性对减少电子废物的产生很有价值。

为了理解超结构纤维优异的机电稳定性，作者利用扫描电镜研究了Cu-EGaIn与多孔微米纤维膜之间的界面，并使用有限元分析模拟了导电路径中的电流密度。沿着超结构纤维轴向切开，其纵剖面为多层的三明治结构。Cu-EGaIn层嵌入微米纤维膜孔隙，并具有凸起结构。当超结构纤维受到应变作用时， Cu-EGaIn凸起沿着微纤维变平，降低了Cu-EGaIn中的有效应变，从而补偿了拉伸下的有效导电体积，增强了纤维的导电稳定性。采用有限元分析方法模拟了具有突出结构的导电模型中的电流密度分布。突出部分中的电流密度小于主体部分，并且在拉伸过程中突出部分变平以补偿有效导电体积。这些结果表明，液态金属与微米纤维界面处的独特结构对实现应变不敏感特性至关重要。

超结构纤维可作为平台，与其他材料结合，用于开发智能纤维。例如，在其表面负载可逆热致变色外壳，成功开发出一种集成温度可视化功能的电热纤维。当这些纤维被编织到织物中时，外侧纤维用作温度指示器，而接触皮肤的内侧纤维用于热治疗。该纤维在0.9 V的超低电压下，温度可达94℃，并表现出稳定的加热性能与快速的热响应。

将集成温度可视化的电热纤维编织到织物手套中，在手套外侧，纤维具有三段热致变色外壳，以显示温度范围。在内侧的纤维用于加热手指的局部区域。具体来说，在不施加直流电压的情况下，纤维显示三种颜色：绿色、红色和蓝色。当施加电压增加到0.3 V时，纤维的温度上升到36.9℃，在33-45℃的绿色热致变色范围内。因此，绿色的热致变色材料从绿色变为灰色，纤维只显示红色和蓝色。随着电压从0.3 V增加到0.5 V，温度进入45 ~ 65℃范围。绿色和红色的热致变色材料都变为灰色，导致集成纤维仅显示蓝色。最后，当电压达到0.7 V时，温度超过65℃，导致三种热致变色材料全部变为灰色。这种集成温度可视化的电热纤维不仅具有出色电热性能，还能在热疗过程中提供实时、直观的温度信息。

超结构纤维可用作可拉伸导电连接线，从而开发出可拉伸的智能显示织物。凭借其优异的导电性和拉伸稳定性，显示织物在弯曲、扭曲和拉伸等机械变形下能够保持稳定的亮度。将可拉伸显示织物与纤维传感器结合，进一步开发了智能可穿戴信息交互系统。在该系统中，传感器的机械信号首先传输至单片机进行数据处理，处理后的数据基于电阻变化调节显示图案。通过将纤维传感器集成到织物手套中，佩戴者可通过手部运动控制显示图案，从而实现信息交互。

总结：与传统的湿法纺丝和表面涂层等方法制备的导电纤维不同，本研究创造性地利用液态金属-微纤维互锁界面，通过卷绕工艺获得了自封装且高性能的导电纤维。该互锁界面具有大面积液态金属凸起结构，使纤维在应变下仍能保持稳定的电导。此外，基于该纤维发展了一种温度可视化的电热纤维，既能实现电加热，又能直观地显示温度分布。还开发了一种全可拉伸显示织物，通过集成纤维传感器，实现了信息交互功能。这种新颖的液态金属-微纤维互锁界面，实现了高导电和超稳定的超结构纤维，有望推动智能纺织品和可拉伸电子器件的进一步发展。

该工作以“Dynamic liquid metal-microfiber interlocking enables highly conductive and strain-insensitive metastructured fibers for wearable electronics”为题在线发表于期刊《Advanced Materials》。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费等经费的支持。