东华大学覃小红教授、季东晓研究员《自然·通讯》：智能纺织品，600%拉伸应变不敏感！

弹性与导电的博弈

智能纺织品的核心难题在于导电材料与弹性基质的性能冲突。传统导电纤维（如碳纳米管、石墨烯或金属涂层纤维）因高模量难以匹配可拉伸基材的形变需求；液态金属（LM）虽具流动性，却在拉伸中易产生脱湿效应，形成液滴导致导电通路断裂与泄漏。这一矛盾严重制约了电子纺织品在剧烈机械变形下的稳定应用。

技术突破：三维粘附通道策略

东华大学覃小红教授、季东晓研究员团队提出创新性“粘附通道策略”，通过银纳米颗粒（Ag NPs）与微纤维毛细效应的协同作用，首次实现液态金属在纱线表面的三维可控流动。该技术制备的SLMAS纱线初始电阻低至0.082 Ω/cm，在600%极限应变下电阻变化率（ΔR/R₀）仅0.703，同时耐受扭曲、弯曲、水洗及5000次拉伸循环。通过功能化改性，该纱线还可实现智能调温与电致变色。

层状组装工艺

研究团队通过四步工艺构建动态粘附通道：首先，采用共轭电纺技术将聚苯乙烯-丁二烯（SBS）微纤维（直径1.483 μm）包裹聚氨酯（PU）纱线，形成三维微通道基材；其次，通过三氟乙酸银溶液浸渍与还原反应，在微纤维表面嵌入银纳米颗粒（直径139-241 nm可调），使LM接触角从115.78°降至28.5°，实现超润湿效应；随后，LM在毛细作用下渗入银改性通道，通过铟-银金属键（形成Ag₂In₄与AgIn₂相）与基材牢固结合；最后，外层电纺疏水SBS微纤维封装防止泄漏。XRD图谱与SEM成像证实了金属键合与LM的稳定渗透结构（图1b-h）。

图1：SBS/LM/Ag-SBS (SLMAS) 纱线的制备与表征 a. SLMAS纱线制备示意图：四步工艺包括电纺微纤维构建通道（SBS-PU纱线）、微通道表面生长银粘附层（Ag-SBS纱线）、吸附液态金属（LMAS纱线）、疏水SBS微纤维封装（SLMAS纱线）。 b-e. 各制备阶段纱线表面的SEM图像（右上角比例尺：10 μm）： b: SBS-PU纱线的三维微通道结构；c: 生长银层后的Ag-SBS纱线；d: 吸附LM后的LMAS纱线；e: 封装后的SLMAS纱线；f. SLMAS纱线（红线）与Ag-SBS纱线（蓝线）的XRD谱图：LM与银形成Ag₂In₄和AgIn₂金属间化合物。 g. 不同银前驱体浓度（0 wt% vs 10 wt%）处理的SBS-PU纱线SEM图及对应LM接触角。 h. LM渗入纤维通道并维持粘附的机理示意图。 i-l. SLMAS纱线在初始、缠绕、打结和拉伸（约550%应变）状态的光学照片。

应变不敏感机制

当LM负载量达6.88 mg/cm时，纱线在600%应变下电阻变化率（0.703）显著低于理论预测值（ΔR/R₀=(1+ε)²-1）。SEM显示：低负载量（1.00 mg/cm）时LM仅包覆单根纤维；中负载量（3.03 mg/cm）填充表面孔隙；高负载量时LM深入纤维孔隙。拉伸至350%应变时，LM与微纤维协同变形，金属键动态重组维持导电通路连续（图2d-f）。

图2：粘附通道实现液态金属与纤维的协同变形 a. Ag-SBS纱线与不同LM负载量SLMAS纱线的初始电阻对比（SLM₁.₀₀AS、SLM₃.₀₃AS、SLM₆.₈₈AS分别对应LM负载量1.00、3.03、6.88 mg/cm）。 b. 不同LM负载量SLMAS纱线拉伸时的电阻变化。 c. SLMAS纱线拉伸时的电阻变化（LM负载量6.88 mg/cm）及块状导体理论预测（虚线）。 d. 不同LM负载量LMAS纱线初始状态的SEM图。 e. 不同LM负载量LMAS纱线在350%应变下的SEM图。 f. 拉伸过程中金属键形成粘附通道调控LM流动的示意图。

极端环境可靠性

该纱线展现出全方位稳定性：连接LED屏幕可在550%拉伸中持续工作；扭曲、弯曲、按压时电阻波动＜10%；500%应变下循环5000次电阻几乎不变，连续77.5小时极端变形后电学性能稳定；疏水封装层确保12小时水洗后电阻仅增0.05 Ω。对比实验表明，无LM或银纳米颗粒的对照组在拉伸中出现电阻剧增，凸显本设计的优越性（图3a-g）。

图3：电学与机械性能表征 a. 连接SLMAS纱线的LED屏幕在初始状态（左）和拉伸状态（右，~550%应变）的光学照片。 b. SBS-PU纱线、Ag-SBS纱线、LM/Ag-SBS纱线及SLMAS纱线的应力-应变曲线。 c-e. SLMAS纱线在扭曲、弯曲和按压下的电阻变化。 f. SLMAS纱线水洗12小时后的电阻变化。 g. SLMAS纱线在200%和500%应变下的循环拉伸电阻稳定性。 h. 不同方法制备的LM基导电纱线在大变形下的品质因子Q值对比。

精准温控应用

基于超高导电性（R²≥0.990），纱线实现低电压驱动焦耳加热：1.0 V电压下，温度随LM负载量从86.4°C（1.00 mg/cm）升至122.7°C（6.88 mg/cm）；100%应变时温度波动仅5.4%；0.4 V电压循环开关100次，30秒内升温至50°C，30秒冷却至32°C，展现快速稳定的电热转换性能（图4a-f）。

图4：焦耳热性能 a. 不同LM负载量SLMAS纱线的电流-电压线性曲线。 b. 不同LM负载量SLMAS纱线在输入电压（0.2–1.0 V）下的表面温度变化（纱线长度：15 cm）。 c. 不同LM负载量SLMAS纱线的温度-电压平方（T-U²）关系曲线。 d. SLMAS纱线拉伸过程中的温度变化。 e. 电压开关循环（0 ↔ 0.4 V，100次）的温度变化。 f. 单次开关循环的温度变化细节（e图虚线框放大）。

图5：智能变色织物

通过在外层电纺纤维掺杂热致变色微胶囊（变色温度35–60°C），团队开发出电致变色纱线：施加0.4-0.6 V电压，织物图案（如“LMY”字母）从浅紫/浅绿/浅粉变为深色；650%应变下仍均匀变色；电压开关100次循环后色彩稳定性＞99%，为可穿戴动态显示提供新方案（图5a-d）。

图5：电致变色性能表征 a. 电致变色纱线制备示意图：将热致变色微胶囊掺入SBS聚合物，电纺至LMAS纱线外层。 b. 纱线编织成"LMY"字样的织物在电压开关下的光学照片（比例尺：10 mm）。 c. 电压开关循环（100次）的色调值变化。 d. 电致变色纱线拉伸时的变色过程： (I) 关电压（紫色）； (II) 开电压（白色）； (III-V) 开电压下拉伸至650%应变（保持白色）

重新定义智能穿戴

该技术通过金属键合与毛细效应的分子级协同，破解了液态金属与弹性纤维的形变失配难题，为智能纺织品提供了通用化平台。研究者指出，此策略将推动可拉伸电路、自适应温控服装及动态显示织物的商业化进程，加速下一代可穿戴设备的革新。

来源：高分子科学前沿

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