苏州大学严锋教授，再发Nature Electronics！

含半嵌入液态金属颗粒的可拉伸纳米纤维膜

可拉伸电子产品在可穿戴设备、软机器人、人机界面和生物电子设备中有广泛应用。实现这些产品的关键在于开发可拉伸导体。传统上，刚性导体如金属纳米线或导电聚合物通过弯曲和皱纹设计等方法整合到弹性材料中，但其固有的刚性会影响长期使用的稳定性。相较之下，镓基液态金属（LM）具备高导电性和变形能力，但制造过程复杂且与聚合物界面兼容性差。

在这里，苏州大学严锋教授课题组展示了含有半嵌入式液态金属颗粒的电纺聚合物纤维膜可用于制造可拉伸电子器件。纤维网中的液态金属颗粒在压力作用下会破裂，并填充纤维网中的空隙，形成导电区域。这样就能利用电路图案印章制作出具有高分辨率（最小线宽为 50 μm）和稳定性（100% 应变下超过 30,000 次循环）的电路。电路可与各种电子元件集成，以实现不同的功能，包括方波信号输出、光发射和无线充电。用这种方法可制作用于生物电信号监测的传感器，从而说明了膜的生物兼容性和渗透性。作者还展示了含液态金属的纤维膜可以分离成单独的成分并回收利用。相关成果以“Pressure-stamped stretchable electronics using a nanofibre membrane containing semi-embedded liquid metal particles”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Sijie Zheng，Xiaowei Wang为共同一作。这是继Nature Materials之后的又一力作！( )

LMNM和压力感应导电路径的制备

图 1a 展示了含液态金属的纳米纤维膜 （LMNM） 制造的主要方法。使用静电纺丝将含有 LM 颗粒的 TPU 溶液转化为纳米纤维膜，然后收集在金属辊轴上。通过选择性地对特定区域施加压力，半嵌入的 LM 颗粒会破裂、溢出并互连以形成导电通路。该工艺能够快速制造具有高弹性和透气性的功能电路。新制备的LMNM具有均匀的厚度，LM颗粒以半嵌入的形式固定在TPU纳米纤维的内部和界面上(图 1b,c)。在施加压力时，压印区域的厚度减小，导致LM颗粒破裂，从纤维界面溢出，填充孔隙并转变为LM的连续相，最终形成网络状导电通路（图1d） 。由于聚合物的限制，嵌入 TPU 纤维中的 LM 颗粒无法扩展到纳米纤维内部。因此，它们保留在具有锚定作用的位置（图1e）。这种锚定效应增强了泄漏的LM连续相和聚合物纳米纤维网络之间的结合。

图1| LMNM 的制造和压印导电路径的示意图

LM粒子的可能情况及其影响

聚合物内LM颗粒的有效模量（EP）会随着颗粒半径（R）的减小而增加，甚至超过聚合物的模量（图2a）。半嵌入的LM颗粒在500 kPa至1000 kPa的压力下容易破裂并表现出良好的活化效果（图2b）。当压力超过800 kPa时，纳米纤维间隙被压缩，LM迁移到外部区域，导致导电区域厚度和LM含量减少，电阻增加。这种激活性使得LMNM可以从绝缘状态切换到导电状态。X射线光电子能谱显示，冲压后Ga峰值强度显著增强，表明LM覆盖面积增加（图2c）。有限元模拟验证了这些情况，红色表示压力较高的地方（图2d-f）。模拟结果显示，当LM颗粒远小于纤维直径时，颗粒完全被纤维覆盖，起到硬质填料作用；当颗粒尺寸接近纤维直径时，颗粒更容易半嵌入纤维并流出；当颗粒远大于纤维直径时，纤维壁薄，易破裂。

图2：TPU 纳米纤维中的 LM 颗粒对压印导电路径的影响

LMNM的机械和电性能

由于LM和TPU的高拉伸性，冲压后的LMNM保持了卓越的机械性能，并且在300%应变下导电或非导电状态非常稳定（图3a、b）。随着LM颗粒含量增加，导电性增强，超过40%时方阻小于1Ω/sq，电导率达2.13×10 6 S/m，适用于小规模电路（图3c）。尽管LM颗粒对纤维直径影响不大，但会影响纤维物理缠结，导致拉伸下的阻抗和强度降低（图3d、e）。综合考虑性能，含40 wt% LM的LMNM在420%以上应变下电阻不敏感，表现出良好循环拉伸稳定性（图3f）。在10000次拉伸循环后，电阻仅增加3%，即使在120000次循环后电阻变化也在30%以内。此外，TPU和LM的疏水性使得LMNM电路在水中搅拌60分钟后电阻变化可以忽略，电路正常工作（图3g）。

图3 LMNM的机械和电性能及稳定性

基于LMNM的电路及相关应用

可冲压和可拉伸的LMNM在可拉伸电子系统中有巨大潜力（图4a, b）。通过调整模板宽度（50-1000 μm），可以快速制备各种图案化电路，最小线间距约为100 μm。作者设计并使用3D打印模型在LMNM上制作基本的频闪发光电路，将其与NE555芯片和LED等电子元件结合，创建了简单的可拉伸频闪发光电路（图4c, d）。该电路可以佩戴在食指上，功能正常（图4e），并在指甲上演示了微机电系统（MEMS）电路的精确性（图4f, g）。通过调节电容C1的值，频闪电路的输出频率从0.69 Hz调整到1.46 Hz，展示了LMNM电路的灵活性和功能（图4h）。

图4：基于LMNM的功能电路和回收过程

除了输出矩形波信号，LMNM还能用于各种发光电路。例如，通过冲压和定位LED并施加直流电源，可以制备带有LMNM字母的可拉伸发光阵列，LED在低电压和高电流下发光，表明LMNM电路在拉伸时能稳定导电。此外，LMNM还能用于交流电致发光。作者通过将电致发光材料与PDMS混合并应用于图案化的LMNM电路，制备了一个交流电致发光器件，该器件在100V和3kHz交流电压下稳定发射蓝光，并能在弯曲时正常运行（图5a-c）。

此外，作者在LMNM中冲压了一个圆形电路，并将其集成到灵活可拉伸的接收线圈中，用于无线电力接收（图5d）。这种电力传输基于电磁感应，可以通过玻璃和水等屏障，为电子设备提供稳定的电力供应（图5e）。作者还制作了一个包含LMNM线圈和近场通信（NFC）芯片的柔性腕带，用于存储身份信息，以实现访问控制系统中的身份验证，展示了LMNM线圈与NFC技术的集成（图5f-h）

图5 ：基于LMNM的发光电路及环形无线输电电路

LMNM电极的生物相容性及生物电检测

LMNM不仅适用于功能电路，还能直接用作可穿戴设备，记录和检测生命体征相关的电脉冲，支持健康评估和医疗诊断。为了评估其生物相容性，作者使用L-929细胞进行体外实验，结果表明LMNM具有良好的兼容性，能促进细胞增殖。LMNM由多层堆叠纳米纤维网络组成，具有高透湿性和透气性（图6a），减少皮肤过敏和炎症。LMNM电极相比商业凝胶电极，表现出较低的皮肤界面阻抗，尤其在低频范围内（图6b）。作者用LMNM电极记录心电图，在潮湿环境中信号更准确（图6c）。LMNM电极还可记录肌电信号，显示不同握力的信号强度（图6d）。此外，LMNM具有高光热转换能力，在近红外激光照射下温度显著升高，表现出快速灵敏的热响应（图6e）。冲压工艺提高了散热效率，防止热量积聚，使得LMNM适用于图案化热贴片，能清晰显示图案信息（图6f）。这些特性使得LMNM在健康监测和医疗诊断等多种应用中展现出巨大潜力。

图 6 ：渗透性、生物电检测和光热转换能力

小结

本文介绍了一种利用冲压液态金属纳米纤维膜（LMNM）创建电极和柔性功能电路的方法，LM颗粒与电纺聚合物纤维紧密结合，在压力下形成导电网络。LMNM具有高弹性（400%）和透湿性（2,941 g/m²/d），通过3D打印模板可快速制备高分辨率和高循环稳定性的电路。集成后的LMNM电路能实现方波信号输出、发光电路和无线充电，适用于心电图和肌电图等生物电信号采集，并且其聚合物和LM组分可回收利用。

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来源：高分子科学前沿

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