南京大学陆延青、孔德圣《AM》：液态金属微网柔性导体，原位重构让电阻对拉伸不敏感

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-10 07:50

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纺织品的三维多孔结构具有透气性，能够为人体提供舒适的穿着体验，这使得电子织物成为开发下一代可穿戴设备的理想平台。在这一领域，可拉伸且透气的导体是构建器件的关键材料，它通常通过将金属纳米结构和涂层组装到纤维上制成。这类导体虽然在松弛状态下具有高导电性，但在反复拉伸过程中，导电网络容易断裂和退化，从而影响设备的稳定性。相较于固态导电材料，液态功能材料因其天然的可变形性和耐久性而备受关注，尤其是镓基液态金属合金。这类材料具有高导电性、低熔点和良好的生物相容性等优势。然而，液态金属基导体在拉伸时电阻通常会快速增加，从而影响器件和设备的稳定工作。目前，关于在大应变下电阻变化极小的可拉伸导体的研究仍然较少，需要进一步探索。

针对上述挑战， 南京大学陆延青教授和孔德圣教授团队 开发了一种可原位变形的液态金属微网导体材料 。他们利用旋涂技术结合金属模板，将液态金属涂敷到弹性微纤维织物上，形成高分辨率的导电图形。通过调控工艺参数，液态金属涂层可制成微网多孔结构，从而兼具良好的透气性。在初次拉伸时，液态金属微网表面的天然氧化层会随之生长，阻碍其完全回弹，使光滑表层转变为褶皱结构。这种微观结构的变化使液态金属涂层的形变模式从拉伸-松弛转变为折叠-展开，从而显著抑制了电阻的变化。例如，在拉伸至300%超大应变的过程中，液态金属微网的电阻变化率仅为11%。这项研究表明，空气为微纳尺度的液态金属提供了天然的反应环境，为操控和提升其性能开辟了新的途径。相关研究成果以题为“Stretchable and Permeable Liquid Metal Micromeshes Featuring Strain-Insensitive Resistance Through In Situ Structural Transformations”的论文发表在最新一期《 Advanced Materials 》上。

旋转速度对产生的液态金属涂层的结构有直接影响。当旋转速度为1000 rpm时，液态金属在超细纤维纺织品表面形成连续薄膜；而在2000、4000、6000和8000 rpm时，则形成多孔微观结构。以6000 rpm为例，银灰色液态金属（LM）微网在SIS超细纤维纺织品上形成，表现为单个纤维上的涂层以及连接部分纤维的薄膜。这种微网涂层在整个纺织品上表现出优异的均匀性，不同位置的电阻测量结果一致。此外，得益于其多孔微观结构，液态金属微网在25°C的标准环境温度和37°C的模拟皮肤附着温度下均保持了高渗透性。

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图1. 液态金属微网的制备工艺及性能

液态金属微网导体由两部分组成：纤维上的涂层和纤维间的悬浮薄膜。静电纺丝制备的弹性纤维织物在50%应变范围内，其形变主要依赖于纤维的旋转，而非纤维本身的伸长。在这种拉伸条件下，纤维的旋转取向显著降低了单个纤维的实际应变，从而确保了纤维上液态金属涂层的结构稳定性。相比之下，悬浮的液态金属薄膜在拉伸和折叠过程中，由于表面积增加，促进了天然氧化层的生长。去除拉伸应力后，这些新增的氧化层抑制了液态金属膜的结构恢复，导致其通过三维屈曲形成褶皱表面。因此，液态金属微网的电阻在最初的几个拉伸周期中表现出显著的不可逆变化，随后趋于稳定，对拉伸应变的敏感性也大幅降低。在大拉伸应变下，纤维本身不可避免地发生本征伸长，液态金属微网整体经历表面积增加，从而诱导额外的氧化过程。这些氧化层同样阻碍了液态金属膜的回缩，形成高度折叠的褶皱微结构。由于微观结构在拉伸过程中发生原位不可逆变化，液态金属微网的变形模式发生改变，使其电阻对应变高度不敏感。例如，该导体在拉伸至300%应变的过程中，电阻变化率仅为约11%。

液态金属在空气环境中会自发氧化，形成主要由Ga ₂ O ₃ 构成的天然氧化层。这种氧化层以自限方式生长，最终达到几纳米的稳定厚度。因此，大气环境为液态金属基导体提供了一个天然的反应环境。天然氧化层的存在显著改变了液态金属的微观特性，使其表现出类似固体的行为。值得注意的是，提高旋涂转速会减少液态金属的质量并增加其比表面积，导致液态金属微网更容易受到表面氧化层的影响，从而在拉伸过程中表现出更显著的微观结构和电学特性的不可逆变化。

图2. 轻微应变下的结构变化

图3. 显著应变下的结构变化

研究者们成功开发了基于液态金属的LED灯阵列和加热器，验证了其在应变下电阻稳定的优异性能。此外，液态金属微网凭借其出色的生物相容性和透气性，作为传感电极展现出比商用Ag/AgCl凝胶电极更优越的表皮电信号采集能力。通过在Janus纺织品上构建液态金属微网电极电路，研究者制备出具有单向导汗功能的电极贴片。即使在剧烈运动导致大量出汗的情况下，该贴片仍能实时可靠地采集到清晰的心电图信号，展现了其在可穿戴健康监测领域的巨大潜力。

图4. 在可拉伸纺织电子产品中实现转化液态金属微网

图5. 用于可穿戴传感的液态金属微网电极

图6. 带有液态金属微网导体的Janus纺织感应电极

本研究提出一种基于原位重构液态金属微网的可拉伸透气导体，其独特优势在于对应变不敏感的电阻特性。创新性揭示了环境空气作为液态金属的天然反应介质，在机械形变过程中通过动态氧化-重构机制实现性能调控，为开发高稳定性的可穿戴电子系统提供了突破性的解决方案。

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