可伸縮電子產品廣泛應用於各種應用領域，如可穿戴電子產品、面板電子產品、軟機器人和生物電子產品。傳統使用彈性薄膜構建的可伸縮電子裝置缺乏滲透性，這不僅會影響穿戴舒適性，長期佩戴後會引起面板炎症，而且限制了裝置在垂直方向上的整合設計尺寸。

近日，香港理工大學鄭子劍教授團隊報道了一種可拉伸的導體，它是透過簡單地將液態金屬塗覆或印刷在靜電紡絲彈性體纖維墊上而製成的，並把這種可拉伸的導體稱為液態金屬纖維墊。液態金屬懸掛在彈性纖維之間，自組織成橫向網狀和垂直彎曲的結構，同時提供高滲透性、延展性、導電性和電氣穩定性。此外，態金屬纖維氈具有良好的生物相容性和對全向拉伸的智慧適應性超過1800％的應變。並演示了液態金屬纖維墊的使用，以構建高滲透性、多功能的單片可伸縮電子器件。

LMFMs透過三個簡單步驟製備:(1) 靜電紡絲超彈性纖維氈，(2) 在可拉伸氈上塗覆液態金屬，(3) 透過預拉伸啟用滲透性。作為概念驗證，選擇了聚苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯(SBS)和共晶鎵-銦合金(EGaIn)作為彈性體和液態金屬。製作了一個具有320µm厚SBS襯墊和0.8mg cm−2 EGaIn質量載荷的LMFM樣品。SBS微纖維的平均直徑為2.7µm(圖1b)， SBS氈的斷裂應變為2300%(圖1e)。這種新制備的塗覆EGaIn的SBS氈呈現出有光澤的金屬樣表面，透氣性很小(圖1c)。為了啟用滲透性，將襯底反覆拉伸至1800%的應變，迴圈12次，在此過程中，閃亮的表面變得暗淡，平面EGaIn轉變為懸浮在SBS微纖維之間的網格狀多孔結構(圖1d)。啟用後的樣品記為0.8EGaIn- sbs(“0.8”表示EGaIn的負載量，即0.8mg cm−2)。

圖1 |滲透性和超彈性的LMFM。a，LMFM典型製造過程的示意圖。b–d，靜電紡SBS氈的數字影象和掃描電子顯微鏡（SEM）影象（b），塗有EGaIn的SBS氈（EGaIn的負載量：0.8μmgcm-2）（c）和可滲透的0.8EGaIn-SBS透過預拉伸（d）啟用後。e，電紡SBS氈和0.8EGaIn-SBS的應力-應變曲線。f，將0.8GaIn-SBS與商業尼龍布、醫用貼片、PDMS膜和Ecoflex膜的透氣性和透溼性進行比較。g，等離子處理前後0.8EGaIn-SBS的水接觸角測量（左圖）和上面滴有人造汗水（紅色），水（黃色）和酒精（藍色）的0.8EGaIn-SBS的數字影象已應用（右側面板）。h，0.8EGaIn-SBS的電阻變化與拉伸應變的關係（RS表示拉伸狀態下的電阻，RS0表示零應變狀態下的電阻）。h中的插圖影象顯示應變為0％和1,000％時的0.8EGaIn-SBS。

超彈性機制：

EGaIn-SBS的超高拉伸性和電穩定性主要歸因於液態金屬，形成了橫向網狀和垂直起皺的結構。該結構是在預拉伸啟用步驟中自行形成的（圖2）。在活化過程中，當基體拉伸到1800%應變時，緻密的EGaIn薄膜破裂成網狀結構，由於EGaIn總表面的增加，形成了新的氧化物(圖2a)。氧化層比液態金屬硬得多，因此當基體緩慢地返回到0%應變時，由於較硬的上層氧化層和較軟的底層基體之間的機械競爭，又獲得了彎曲。

圖2 | LMFM的超彈性機理。a，顯示製備可滲透的EGaIn-SBS墊的預拉伸活化過程的示意圖。b，示意圖、形貌和橫截面SEM影象（分別為上兩個面板和最下面的面板）顯示了拉伸過程中0.8EGaIn-SBS的詳細結構。

穩定和自適應超彈性：

活化的EGaIn-SBS在變形時由於多孔結構和帶扣的可逆轉變而獲得了長週期穩定性。例如，經過100個以上的拉伸週期，分別達到1000％和1800％，0.8EGaIn-SBS的電阻僅分別增加了18％和36％（圖3a中的紅色和黑色曲線）。

重要的是，EGaIn-SBS具有智慧的自適應性:由於SBS襯底和EGaIn的各向同性拉伸效能，其褶皺取向可以根據拉伸方向的變化進行重構。這種智慧的自適應功能可實現全向拉伸性和穩定性，而無需任何特定的設計。因此，在經常發生複雜變形的應用中，EGaIn-SBS尤其出色。它還可以在需要同時使用多個具有不同拉伸方向的可拉伸裝置的情況下提供出色的設計靈活性。

圖3 | LMFM的穩定和自適應超彈性。a，在不同應變下，0.8EGaIn-SBS的電阻變化與拉伸迴圈的關係。b，具有不同的EGaIn載入量的EGaIn-SBS的品質因數（Q）作為拉伸應變的函式。c，顯示了在拉伸過程中EGaIn-SBS的自適應性的示意圖。d，EGaIn-SBS的電阻隨拉伸週期（1800％應變）的變化以及拉伸方向的變化（RS是指拉伸狀態下的電阻，RS0是釋放狀態下的電阻）。d中的插圖是SEM影象，顯示了2.0EGaIn-SBS的適應性。

圖4 | LMFM的生物相容性。a，在具有對照樣品、吸收性紗布、SBS墊、2.0EGaIn-SB和20％DMSO的培養液中培養的細胞的明場和熒光影象。b，不同孵育組中L-929細胞活力的定量。c，孵育1、2和3天后，不同孵育組在MTT測定中在570nm處的吸收。誤差線（b，c）顯示標準偏差。d，數字影象顯示志願者前臂上不同材料的面板刺激結果。

圖5 | EGaIn-SBS的印刷和封裝。a，在預拉伸啟用之前（頂部）和之後（底部）以各種EGaIn圖案模版印刷的SBS氈的數字影象（比例尺，1 cm）。b，顯示超彈性圖案化的EGaIn-SBS的數字影象。c，印刷有EGaIn互連並在釋放狀態（左）和拉伸和扭曲狀態（右）安裝有LED的封裝的可拉伸墊的數字影象。透過在表面上進行SBS微纖維的後靜電紡絲將其包裹起來。c中的插圖顯示了封裝的可拉伸薄膜的橫截面結構墊。d，印有EGaIn互連和水下安裝的LED的封裝可拉伸墊的數字影象。該墊在釋放狀態（左）和伸展狀態（右）下在水下的效能都很好。e，封裝的可拉伸墊的電阻與洗滌時間的關係。

圖6 |單片可拉伸電子器件。a，示意圖顯示了透過交替電紡SBS纖維和模版印刷EGaIn電極來製造垂直堆疊的整體式可拉伸氈。b，三層單片可拉伸裝置的數字影象以及每一層中的EGaIn電極結構。頂層（面板旁邊）是ECG感測器，中間層是汗液感測器，底層是電加熱器。c，三層單片可拉伸裝置的頂層（ECG電極）的ECG訊號。d，響應於不同的汗液量，三層整體可拉伸裝置的中間層（汗液感測器）在不同應變下的電容（磷酸鹽緩衝鹽水（PBS）代表汗液）。e，響應不同濃度的NaCl溶液（使用NaCl水溶液代表人的汗液），不同應變下的中間層的電容。f，三層整體可拉伸裝置的底層（加熱器）的溫度逐步升高，電壓從0.07 V增加到0.75 V. g，加熱器溫度作為拉伸應變的函式(驅動電壓為0.15 V)。h，加熱器在0.2 V驅動電壓下反覆加熱迴圈執行的溫度。

綜上所述，LMFMs是一種新型的可拉伸導體，可以透過在彈性靜電紡絲纖維氈上塗覆或印刷液態金屬來製備。透過簡單的預拉伸過程，液態金屬會自組織成橫向多孔且垂直彎曲的網狀物，該網狀物懸掛在彈性纖維之間。與其他基於液態金屬的最新可拉伸導體相比，LMFMs是迄今為止唯一能夠同時實現超高導電性、超高Q值、超高應變、高生物相容性和高滲透性的材料策略。展示了一種概念驗證的三層整體可伸縮電子墊，具有獨特的滲透性和全超彈性的優勢。原則上，可以透過增加裝置層的數量來實現更多的功能。作者預計，LMFMs將成為一個通用和使用者友好的平臺，用於製造整合密度高、多功能和長期耐磨的單片可拉伸電子產品。

論文連結：

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00902-3