河北大学AM：“离子液体”液态桥技术突破柔性电子裂纹难题！

柔性电子器件因可贴合人体曲面，在可穿戴设备领域备受关注。然而，其在生理活动中的反复形变易引发金属导电薄膜（如金、铜）的不可控裂纹，导致电路失效。传统金属薄膜在仅10%应变下即出现贯穿性裂纹，而人体活动通常需耐受超30%的应变，这一矛盾严重制约了高性能柔性设备的开发。

近期，河北大学彭珊博士、牛津大学郑爽博士、南京航空航天大学郭万林院士、何慧敏特聘副研究员合作提出一种基于毛细管稳定的液态桥（Liquid Bridges, LBs）策略，成功调控裂纹的萌生、扩展与合并。通过在聚碳酸酯纳米线阵列间隙填充非挥发性离子液体（IL），形成规则弯液面支撑金薄膜，液态桥产生的力学吸引作用分散裂纹能量，使金薄膜延展性提升至180%（远超常规30%），并在160%高应变下保持导电通路。该技术为高性能柔性电子提供了全新解决方案。

研究团队在柔性PDMS基底上构筑高5μm、直径390nm的刚性纳米线阵列，间隙填充离子液体形成弯液面（图1a）。统计显示纳米线中心间距约479nm（图1b），扫描电镜（SEM）证实离子液体均匀包覆纳米线并支撑金薄膜（图1c,d）。

图1：纳米线-液态桥复合结构设计

对比实验表明：无离子液体时，金薄膜在10%应变即出现贯穿裂纹（图2a,b）；而含液态桥的样品在80%应变下仅产生微裂纹（<30μm），115%应变后微裂纹逐步合并，直至160%应变才形成穿透性断裂（图2c-e）。电阻测试证实含液态桥的金薄膜在160%应变内保持稳定导电性，而无液体对照组在30%应变已失效（图2g,h）。

图2：液态桥抑制裂纹机制

通过弯液面形貌分析（图3a,b），团队计算出相邻纳米线间液态桥吸引力达0.24μN（图3c）。该力使裂纹扩展需额外能量，迫使新裂纹在其他位置萌生。不同离子液体表面张力实验进一步验证：吸引力越强，器件最大应变越高（图3d）。

图3：液态桥力学作用量化

离子液体浓度显著影响性能：浓度过低（50 mg/mL）时纳米线团聚，25%应变即失效；浓度过高（400 mg/mL）则淹没纳米线，无法形成有效液态桥（图4a-e）。最优浓度为120 mg/mL，此时应变耐受性达峰值（图4h），电阻变化可控（图4g,i）。

图4：离子液体浓度优化

基于该技术的传感器可检测0.005%微应变（图5a,b），在温度（25–45°C）和湿度（15–95%）变化下性能稳定（图5c,d）。集成至软体机器人抓臂（图5e,g）时，成功监测抓取0.5mm薄片与5cm立方体的形变过程（图5f,h）。穿戴测试中，精准识别手指弯曲（4–90°）、手腕转动等动作（图5i-n），灵敏度超传统传感器1000倍。

图5：穿戴与机器人应用

总结与展望

液态桥技术通过调控裂纹行为，实现了柔性电子180%应变耐受性与超高灵敏度（应变系数达4×108）。未来研究将拓展该策略至其他导电/半导体材料体系，并探索液态结构在循环载荷下的长期稳定性，为可穿戴设备与软体机器人提供更可靠解决方案。

来源：高分子科学前沿

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