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  液態(tài)金屬憑借其高導(dǎo)電性，室溫下可任意形變及低模量的特點，在可拉伸及可穿戴電子材料領(lǐng)域具備很好的商業(yè)應(yīng)用前景。然而，目前可拉伸的液態(tài)金屬導(dǎo)體材料面臨著兩個嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，由于比表張力很大 （以鎵銦錫共熔液態(tài)金屬為例，室溫下的表面張力為718 mN m^-1），液態(tài)金屬很難自動在可拉伸的高分子基底表面浸潤及鋪展，這給液態(tài)金屬導(dǎo)體的制備帶來困難。其次，由于大應(yīng)變拉伸時導(dǎo)體材料的尺寸變化，導(dǎo)體的電阻不可避免地會有很大的增加 （幾十幾百倍）。此外，在可穿戴電子的是長期實際應(yīng)用中，材料的透氣性對穿著舒適性也極為重要。基于以上，鄭子劍教授團隊通過對超浸潤液態(tài)金屬及拉伸導(dǎo)電性增加的聚合物分子框架的設(shè)計，在三維多孔的纖維網(wǎng)絡(luò)修飾可與液態(tài)金屬反應(yīng)型浸潤的銀層，使得液態(tài)金屬的浸潤接觸角到0°左右。同時，纖維網(wǎng)絡(luò)的毛細力使得液態(tài)金屬可快速灌輸?shù)匠H的纖維網(wǎng)絡(luò)中。這一現(xiàn)象在拉伸過程中更加明顯，進而產(chǎn)生更多的導(dǎo)電回路來緩解電阻在大應(yīng)變下的變化。

圖1. 超浸潤液態(tài)金屬及拉伸導(dǎo)電性增加的液態(tài)金屬導(dǎo)體材料的制備。

  該團隊通過液態(tài)金屬與銀層的反應(yīng)型浸潤，制備銦銀的金屬間化合物，使得液態(tài)金屬在靜電紡絲纖維網(wǎng)絡(luò)表面的接觸角從145°降低到0°左右。同時，由于靜電紡絲網(wǎng)絡(luò)的毛細力，液態(tài)金屬可進一步灌輸?shù)狡淙S多孔的結(jié)構(gòu)中，可得到高液態(tài)金屬載量 （64~210 mg cm^-2）低電阻的可拉伸導(dǎo)體材料。在實際應(yīng)用中，該導(dǎo)體材料還能在拉伸-松弛的過程中形成橫向網(wǎng)狀和垂直彎曲的褶皺結(jié)構(gòu)，使得該導(dǎo)體具有透氣透水性。這項研究工作為高導(dǎo)電性、高導(dǎo)電穩(wěn)定性、超浸潤的液態(tài)金屬可拉伸導(dǎo)體材料設(shè)計提供了一種新的策略。

圖2. a)液態(tài)金屬載量與導(dǎo)電性的關(guān)系；b)應(yīng)力應(yīng)變曲線；c) 應(yīng)變下的電阻變化；d) 循環(huán)拉伸測試過程中的電阻變化。

  同時，作者發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中，液態(tài)金屬不僅不會被擠出，反而會更好地灌輸?shù)嚼w維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。這有利于拉伸過程中液態(tài)金屬更好地修復(fù)內(nèi)部破裂的硬的銀層，進而形成更多液態(tài)金屬-銀的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得導(dǎo)電性隨應(yīng)變的增大而提高，表現(xiàn)出電阻在2500%應(yīng)變下僅僅2.5倍的變化。

圖3. a，b）表面及截面的液態(tài)金屬在松弛（上）及拉伸狀態(tài)（下）時的分布；c）不同應(yīng)變下的電導(dǎo)率變化；d, e）與其他可拉伸導(dǎo)體材料的拉伸性、導(dǎo)電性及導(dǎo)電穩(wěn)定性的比較。

  該團隊進一步印刷了透氣的可拉伸電子器件，包括可拉伸印刷電路及發(fā)熱器件等，其透氣透水性能與商用的布料比如棉布、蠶絲、滌綸、尼龍等相提并論，體現(xiàn)了較好的穿戴舒適性。

圖4. a，b）印刷電路的制備示意圖及照片; c）印刷電路的透氣透水性的示意圖; d, e, f) 印刷器件的透氣、透水汽、及透水性；g) 可拉伸印刷電路的展示; h, i, j) 發(fā)熱器件的應(yīng)用展示。

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2021, 2105587), 論文的第一作者為香港理工大學(xué)博士生莊秋娜，共同第一作者為華南理工大學(xué)馬志軍副研究員，通訊作者為鄭子劍教授，共同通訊作者為香港理工大學(xué)黃琪瑤研究助理教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105587