可拉伸、輕量化且穩(wěn)定的彈性導(dǎo)體是柔性電子從傳統(tǒng)彎曲形態(tài)邁向真正拉伸功能的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有彈性導(dǎo)體在高導(dǎo)電性與優(yōu)異機(jī)械性能之間長(zhǎng)期存在“二律背反”：為達(dá)到金屬級(jí)導(dǎo)電率，通常需填充大量液態(tài)金屬（LM）或?qū)щ娞盍希@會(huì)嚴(yán)重?fù)p害材料的拉伸性和韌性，且液態(tài)金屬在高應(yīng)變下易泄漏，導(dǎo)致短路和可靠性問(wèn)題。如何在極低填料用量下同時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬導(dǎo)電性、超高拉伸性和卓越機(jī)械強(qiáng)度，是該領(lǐng)域長(zhǎng)期未解的核心挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一難題，東南大學(xué)吳俊教授、孫立濤教授合作開(kāi)發(fā)了一種基于不良溶劑誘導(dǎo)界面自組裝策略的新型彈性導(dǎo)體。該導(dǎo)體以熱塑性聚氨酯（TPU）為基體，僅添加5%（體積比）的液態(tài)金屬納米顆粒（LM NPs），便實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3.33×10? S/m的金屬級(jí)導(dǎo)電率、超過(guò)1400%的極限拉伸應(yīng)變和超過(guò)30 MPa的斷裂強(qiáng)度（圖1B）。該導(dǎo)體可使電子系統(tǒng)承受多種變形并實(shí)現(xiàn)與皮膚的共形貼合（圖1C、D）。相關(guān)論文以“Highly conductive and ultrarobust elastic conductors for stretchable electronics”為題，發(fā)表在Science Advances 上。

圖1. 高導(dǎo)電超韌性彈性導(dǎo)體用于可拉伸電子器件的示意圖。 （A）三種制備液態(tài)金屬導(dǎo)體（LM-C）的方法對(duì)比。（B）本工作制備的彈性導(dǎo)體性能雷達(dá)圖。（C）基于該彈性導(dǎo)體構(gòu)建的電子系統(tǒng)可承受多種變形。（D）導(dǎo)體與皮膚共形接觸。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確調(diào)控溶劑體系的熱力學(xué)過(guò)程，在薄膜成型過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了聚合物與液態(tài)金屬納米顆粒的不對(duì)稱空間分布：頂部形成致密的純聚合物彈性層，底部形成聚合物與液態(tài)金屬互穿的導(dǎo)電層（圖2C）。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)使頂部聚合物承擔(dān)機(jī)械應(yīng)力，底部互穿網(wǎng)絡(luò)保障穩(wěn)定導(dǎo)電通路，從而有效解耦電學(xué)與力學(xué)性能的相互制約。

掃描電鏡和原子力顯微鏡成像顯示，不良溶劑（乙醇）的引入誘導(dǎo)TPU鏈段發(fā)生微區(qū)聚集和起皺，形成微褶皺結(jié)構(gòu)（圖2E），而無(wú)需不良溶劑的薄膜則呈現(xiàn)均勻的硬段和軟段分布（圖2D）。同時(shí)液態(tài)金屬納米顆粒在重力與熱力學(xué)耦合作用下沉降并富集于薄膜底部（圖2F）。原子力顯微鏡高度圖清晰顯示了聚合物骨架與液態(tài)金屬納米顆粒之間的高度差，證實(shí)了互連結(jié)構(gòu)的存在（圖2G）。截面圖像和底面結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)一步證實(shí)了頂部致密層與底部互穿導(dǎo)電域的存在（圖2H-K），且液態(tài)金屬富集區(qū)占比僅為薄膜總體積的約15%。該工藝還可拓展至PDMS和Ecoflex等其他彈性體體系，展現(xiàn)出良好的通用性。

圖2. 溶液體系的熱力學(xué)過(guò)程及LM-C的形成。 （A）不良溶劑對(duì)聚合物溶液中聚合物鏈的影響示意圖。（B）溶劑/溶劑和溶劑/聚合物相互作用的調(diào)控。（C）不良溶劑誘導(dǎo)的具有聚合物-液態(tài)金屬互穿結(jié)構(gòu)的LM-C制備流程。（D）無(wú)不良溶劑薄膜的原子力顯微鏡（AFM）高度圖。（E）含不良溶劑薄膜的AFM高度圖，顯示微褶皺結(jié)構(gòu)。（F）無(wú)濕度控制下液態(tài)金屬納米顆粒不均勻沉降的AFM圖像。（G）LM-C中聚合物骨架與液態(tài)金屬納米顆粒高度差A(yù)FM圖像。（H, I）LM-C截面掃描電鏡圖像及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。（J, K）LM-C底面結(jié)構(gòu)圖像及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

在電學(xué)性能方面，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)考察了不同液態(tài)金屬濃度對(duì)導(dǎo)體性能的影響（圖3A）。含5%（v/v）液態(tài)金屬的導(dǎo)體初始電阻僅0.2 Ω，在不同濃度下表現(xiàn)出優(yōu)異的初始電阻和相對(duì)電阻變化特性（圖3B）。該導(dǎo)體在拉伸至超過(guò)1300%應(yīng)變時(shí)，相對(duì)電阻變化（R/R?）僅為4.24，遠(yuǎn)低于經(jīng)典不可壓縮球體導(dǎo)電模型預(yù)測(cè)值（(1+ε)2），表明其優(yōu)異的應(yīng)變不敏感特性（圖3C）。連接LED的導(dǎo)線在拉伸至斷裂前仍能維持LED亮度幾乎不變（圖3D）。原位掃描電鏡揭示了其內(nèi)在機(jī)制：小應(yīng)變下，液態(tài)金屬納米顆粒的Ga?O?氧化殼通過(guò)形變適應(yīng)應(yīng)力；大應(yīng)變下（>500%），聚合物網(wǎng)絡(luò)局部斷裂形成應(yīng)力耗散區(qū)，同時(shí)氧化殼破裂釋放內(nèi)部流動(dòng)液態(tài)金屬，維持連續(xù)導(dǎo)電通路，從而在極大變形下仍保持穩(wěn)定導(dǎo)電（圖3E）。

圖3. LM-C的性能及應(yīng)變不敏感機(jī)制。 （A）LM-C中初始電導(dǎo)率和極限應(yīng)變隨液態(tài)金屬濃度的變化趨勢(shì)。（B）不同液態(tài)金屬含量下LM-C在單軸應(yīng)變至500%時(shí)的相對(duì)電阻變化。（C）LM-C在0至斷裂應(yīng)變范圍內(nèi)的相對(duì)電阻變化（紅線）及基于不可壓縮球形導(dǎo)體模型的理論預(yù)測(cè)（藍(lán)點(diǎn)）。（D）含5%（v/v）液態(tài)金屬的LM-C的應(yīng)變不敏感性能展示。（E）LM-C的應(yīng)變不敏感機(jī)制及不同應(yīng)變下的原位掃描電鏡圖像。

力學(xué)與電學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試顯示，該導(dǎo)體在50%至1400%循環(huán)加載-卸載中應(yīng)力穩(wěn)定增加（圖4A），且在50%~200%應(yīng)變范圍內(nèi)電阻僅輕微波動(dòng)（圖4B）。導(dǎo)體可承受5000次100%應(yīng)變循環(huán)和1200次500%應(yīng)變循環(huán)，電阻變化保持穩(wěn)定（圖4C）；在超過(guò)20000次按壓測(cè)試中同樣表現(xiàn)可靠（圖4D）。信號(hào)傳輸測(cè)試表明，其在0.05 Hz至10 kHz頻率范圍內(nèi)信號(hào)保真度優(yōu)異（圖4E），可用于音頻信號(hào)傳輸，失真極小。綜合性能對(duì)比顯示，該導(dǎo)體在導(dǎo)電率、拉伸率和韌性方面均顯著優(yōu)于已報(bào)道的彈性導(dǎo)體材料（圖4F）。

圖4. LM-C的力學(xué)和電學(xué)穩(wěn)定性。 （A）50%至1400%遞增應(yīng)變下的加載-卸載曲線。（B）對(duì)應(yīng)的電阻變化。（C）循環(huán)穩(wěn)定性（100%應(yīng)變5000次及500%應(yīng)變1200次）。（D）按壓穩(wěn)定性（超過(guò)20000次）。（E）信號(hào)傳輸穩(wěn)定性（0.05 Hz至10 kHz頻率范圍）。（F）彈性導(dǎo)體的性能綜合評(píng)價(jià)。

基于該高性能導(dǎo)體，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了無(wú)線無(wú)源可拉伸近場(chǎng)通信（NFC）和射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)，用于生物體溫度和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)（圖5A）。研究表明，所制備的可拉伸線圈在不同距離下傳輸效率穩(wěn)定（圖5B），在0~60%應(yīng)變范圍內(nèi)傳輸效率同樣保持穩(wěn)定（圖5D），且線圈在應(yīng)變下的仿真與實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)一致（圖5E）。貼附于人體胸部的NFC設(shè)備可共形貼附（圖5F），并在彎曲、戳刺、扭轉(zhuǎn)等極端變形下保持穩(wěn)定工作（圖5C、K）。RFID溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在拉伸和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均能可靠傳輸溫度數(shù)據(jù)（圖5I、J）。此外，利用接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI），系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)睡眠姿勢(shì)和身體活動(dòng)狀態(tài)（圖5L），展示了其在可穿戴健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互中的廣闊應(yīng)用前景。

圖5. 無(wú)線無(wú)源可拉伸電子系統(tǒng)。 （A）可拉伸無(wú)線無(wú)源系統(tǒng)（WPTS）的雙端口網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。（B）WPTS在不同距離下的傳輸效率η。（C）制備的NFC器件在機(jī)械變形后的照片。（D）WPTS在不同應(yīng)變下的傳輸效率η。（E）基于LM-C的可拉伸線圈仿真（a）與制備實(shí)物（b）在不同應(yīng)變下的表現(xiàn)。（F）貼附于胸部的可拉伸NFC器件照片。（G）可拉伸NFC器件在健康監(jiān)測(cè)中的潛在應(yīng)用示意。（H）可拉伸RFID標(biāo)簽與PC連接RFID讀寫(xiě)器的工作原理示意圖。（I, J）可拉伸RFID標(biāo)簽在拉伸狀態(tài)下（I）和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下（J）的溫度監(jiān)測(cè)性能實(shí)驗(yàn)演示。（K）器件在彎曲、戳刺和扭轉(zhuǎn)等機(jī)械變形下的共形貼合與韌性展示。（L）可穿戴系統(tǒng)用于睡眠姿勢(shì)和身體活動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，其中接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）用于評(píng)估人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

該研究通過(guò)巧妙的溶劑熱力學(xué)調(diào)控，為高性能彈性導(dǎo)體的設(shè)計(jì)提供了全新思路，突破了傳統(tǒng)導(dǎo)電復(fù)合材料中電學(xué)與力學(xué)性能難以兼得的瓶頸。所開(kāi)發(fā)的導(dǎo)體兼具金屬導(dǎo)電性、超高拉伸性、高韌性和優(yōu)異穩(wěn)定性，且制備工藝簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展至多種彈性體體系，有望推動(dòng)下一代可拉伸電路、軟體機(jī)器人、植入式器件及智能醫(yī)療電子系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。