来源 | Advanced Science

链接 | https://doi.org/10.1002/advs.202503449

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背景介绍

传统电子技术的进步始终聚焦于处理速度与能效提升，而可拉伸电子器件的兴起则标志着一个以机械适应性为核心特征的新纪元，特别适合下一代可穿戴设备的发展。这类可变形器件能与人体实现无缝可靠集成，在健康监测、人机交互界面及先进假肢等领域展现出广阔前景。柔性导体作为可拉伸电子器件的关键基础材料，在活性电极与电子互连结构中具有多样化应用。液态材料（特别是镓基液态金属合金）在嵌入弹性体基质后展现出理想的变形能力，其极限仅受弹性体断裂应变制约。成为可拉伸电子器件的理想材料。然而，缺乏可规模化、自动化的制备工艺限制了其实际应用。

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成果掠影

近日，南京大学的陆延青、王晓亮、孔德圣团队提出两步法制备适用于3D打印的液态金属乳液凝胶，其特点是在聚合物基体中密集填充液态金属微胶囊。所得乳液凝胶展现出适合3D打印的流变特性，并通过固化实现极小收缩。由于含有大量尺寸可观的微胶囊，打印结构可激活为柔顺导体，具备≈2.2×10⁴ S cm⁻¹的超高导电率和高达≈1000%应变的极限拉伸性。通过3D打印成功制备的可拉伸发光二极管显示屏和近场通信标签，验证了液态金属微胶囊凝胶的实用性。这些进展为设计打印可拉伸电子器件的液态金属墨水提供了多功能平台。研究成果以“Highly Conductive Liquid Metal Emulsion Gels for Three-Dimensionally Printed Stretchable Electronics”为题发表在《Advanced Science》期刊。

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图文导读

图1.液态金属乳液凝胶的制备。a）倾斜小瓶内体积浓度（μ m）为0%（左）、45.6%（中）和80.8%（右）的液态金属微胶囊与苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS）弹性体溶液的混合物。比例尺：1 cm。B）通过具有200 μm孔的分配针挤出的相应混合物。比例尺：c）在不同的沉降持续时间下，45.6%（向上）和80.8%（向下）的液体金属/SIS溶液混合物。比例尺：d）稀释（上）和浓缩（下）状态下的液态金属微胶囊混合物的示意图。e）光学显微镜图像，显示具有致密填充的液态金属微胶囊的乳液凝胶，弹性体溶液被染成橙子以便于可视化。比例尺：50 μm。f）液体金属混合物的粘度与剪切速率的关系。g）作为剪切应力的函数的储能模量（G′）和损耗模量（G″）。

图2.使用液态金属乳液凝胶的基于挤出的3D打印。a）基于挤出的3D打印的示意性实验设置。B）由45.6%（左）、80.8%（中）和86.3%（右）的液态金属/SIS溶液混合物产生的螺旋形图案。比例尺：c）光学显微镜图像和虚线切割的相应高度分布，其显示原始状态和完全干燥状态下的单层线形轨迹。500 μm。d）印刷的中国狮子草图的光学图像，展示了创建复杂图案的能力。比例尺：20 mm。e）通过堆叠多个印刷层形成的“液体金属”形状特征的光学图像。比例尺：10 mm。f）字母“L”的相应地形轮廓。比例尺：g）显示3D微型化金字塔结构的光学图像。比例尺：200 μm。h）相应的表面形貌图像。比例尺：2 mm。i）使用含有不同弹性体（包括SIS、TPU、PDMS和PVDF-HFP）的液体金属乳液凝胶印刷的树形图案。比例尺：1 cm。

图3.印刷的液态金属微胶囊复合材料的机械活化。a）通过超声处理60（i）和10（ii）s以及通过乳化120（iii），30（iv），B）通过不同合成条件获得的微胶囊尺寸。数据表示平均值± s.d.（n = 4）。c）星星-使用具有不同尺寸的液态金属微胶囊的乳液凝胶印刷成形图案。d）通过拉伸或剥离对液态金属复合材料进行机械活化的示意图。e）揭示复合材料通过活化的微观结构变化的SEM图像。比例尺：f）含有不同尺寸微胶囊的活化复合材料的电导率。数据表示平均值± s.d.（n = 4）。g）剥离活化后具有不同宽度的活化复合材料的电导率。插图：显示不同宽度的线形特征的光学显微镜图像。比例尺：h）剥离活化复合物相对于特征高度的电导率和薄层电阻。数据表示平均值± s.d.（n = 6）。

图4.活化的液态金属导电特征的机电性能。a）显示在0%和1000%应变下的代表性导电特征的光学图像。比例尺：1 cm。B）作为单轴拉伸应变的函数的归一化电阻。c）在拉伸循环至400%应变期间的归一化电阻。

图5.通过3D打印制造的可伸展LED显示屏。a）光学图像显示了0、200%和400%拉伸应变下的照明“NJU”LED阵列。比例尺：2 cm。B）0和400%应变下LED矩阵的电流-电压曲线。C）说明可拉伸LED矩阵显示器架构的示意图。d）as-的光学图像e）显示在0%、44%、125%和300%面积应变下的数目和图形图案的LED矩阵的光学图像。

图6.通过3D打印制造的可拉伸NFC标签。a）示出NFC标签的设计的示意图。B）使用具有不同层的导电轨道的NFC标签的反射散射参数（S11）与频率的关系。c）NFC标签的谐振频率和Q因子与打印层数的关系。数据表示平均值± s.d.（n = 4）。d）光学图像显示NFC设备的操作，其中智能手机检索ID信息。e）手背上的NFC标签用于解锁门。f）门锁和智能手机的不同印刷层数的NFC标签的最大工作距离。数据表示平均值± s.d.（n = 4）。g）NFC标签在不同拉伸应变下的光学图像。比例尺：1 cm。h）在不同拉伸应变下NFC标签的反射散射参数（S11）与频率的关系。