電子產品無處不在。在電子設備內部，硅和其他熟悉材料的特性似乎能實現人們想要的一切：速度、精度、功率。但是，當我們邁向技術沉浸式世界時，電子設備和機器人會被磨損并與人類互動，突然我們遇到了一個問題：傳統的電子設備是剛性的、不可拉伸的、扁平的，而人則是柔軟的、可拉伸且彎曲的。為了克服這一挑戰，如果我們可以用完全不同的東西（如液體）代替像銅這樣的固體電子材料，那會怎么樣？
近日，在Nature Materials雜志上發表的兩項獨立研究中，耶魯大學的Rebecca Kramer-Bottiglio課題組和香港理工大學鄭子劍教授課題組報告了利用液態金屬網絡實現高導電性、超可拉伸性和機械穩定性電子產品的方法。總而言之，這些研究展示了液體導體是如何為下一代類似皮膚的電子產品的透氣集成設備鋪平道路的。
可拉伸電子有三種主要方法：
1）幾何圖形結構，其中彎曲和蛇形結構賦予固體剛性材料可拉伸性；
2）本質上可拉伸的材料，具有導電性，并可在其塊體或薄膜形式中拉伸；
3）導電柔性復合材料。
每一種方法都有其優點和缺點，這就引起全球科學家對跨學科的興趣，將材料、力學、化學和制造方法結合起來，用于可拉伸和柔性電子。然而，正如在這兩份報告中看到的，可以模糊不同方法之間的界限以提供突破性的性能。
圖1.液態金屬可伸縮電子產品
使用雙相鎵銦的高拉伸性多層電子電路
Kramer-Bottiglio等人表明，室溫液態金屬（例如共晶銦鎵（EGaIn））與固體顆粒混合以形成雙相（液-固）復合混合物時，會表現出優異的表現（圖1a）。與以前將不同的金屬顆粒混合到液態金屬中的工作不同，本工作在原位形成固態氧化鎵顆粒。
于此，當液態金屬納米顆粒被加熱到900°C時，由于氧化和相分離，在表面形成一層固體薄膜；同時，下面的液態金屬顆粒破裂并合并成一個液體網絡。這形成一個高導電性（2.06×106 S m–1）薄膜，然后可以轉移到軟彈性體上。這種混合物還潤濕了電子元件，克服了液態金屬通常難以與其他表面接觸的難題。
當一根實心金屬絲被拉伸時，它會變得更長更薄，從而導致電阻的增加。然而，當雙相液態金屬在可拉伸基底上形成時，可以在電阻變化很小的情況下拉伸到1000%以上的應變（原始長度的10倍）。這種行為不僅是迷人的，而且很有用。例如，當雙相液態金屬與剛性電子元件一起使用時，軟電路可以在電阻變化最小的情況下拉伸，就好像它們根本沒有變形一樣。這是通過在可穿戴電子套管上創建一個多層軟電路來證明的，當它彎曲和不彎曲時，它的功能同樣良好。
圖|可拉伸電路板組件
滲透性超彈性液態金屬纖維墊可實現生物相容性和整體式可拉伸電子器件
鄭子劍教授課題組開發了一種由液態金屬纖維墊復合材料制成的可拉伸導體（圖1b）。在這里，液態金屬的EGaIn涂在靜電紡的彈性纖維墊上，并且在拉伸薄膜時顯現出其性能。這就形成了一種自組裝結構，液態金屬在一系列孔隙中分裂成連接的區域。這同時實現了兩個重要特征：它創建了一個多孔結構，允許空氣和水分通過薄膜，并且液態金屬網絡成為一個高度導電（1.80×106 S m–1）的可拉伸導體。液態金屬疇上覆蓋著起皺的氧化鎵，這表明訓練過程從根本上改變了液態金屬的結構。在這一初始訓練過程之后，電阻在拉伸過程中保持恒定，極限應變甚至達到>1500%。
液態金屬的固有拉伸能力與獨特的多孔結構相結合，具有重要的優勢。具體來說，它克服了目前許多基于彈性體的設備的局限性，并允許氣體和液體的滲透性，同時保持通過液態金屬的高導電性——這兩者對于未來可穿戴設備的生物相容性都很重要。與對照組相比，研究人員發現多孔液態金屬墊具有良好的耐磨性。細胞試驗顯示體外細胞毒性較低，在兔皮膚上進行的體內動物試驗沒有引起明顯的刺激，志愿者前臂的初步可穿戴性表明，在為期一周的試驗中，這種滲透性有助于提高可穿戴性。
圖|滲透性和超彈性液態金屬纖維墊
兩者所用材料
兩項研究中使用的室溫液態金屬均是EGaIn合金。該材料具有低粘度（2 mPa s，約為水的兩倍），高電導率（3.4×106 S m-1）和低毒性等特點。重要的是，該合金還可以在氧氣存在下迅速氧化形成氧化鎵，從而在材料表面形成納米級薄的氧化物殼。
總結與展望
正如這些工作中所展示的，將軟電子與剛性組件合并在一起的混合電子方法對于高性能設備來說是一種很有前途的方法。在這個領域，挑戰仍然存在，尤其是在考慮如何最終封裝這些設備并與外部硬件交互時。當軟質材料與剛性組合拉伸時，界面會產生應力而分層，這使得界面的附著力變得至關重要。
從廣義上講，這兩個報告都表明，液體為制造軟設備和機器人技術提供了一條途徑。功能性液體組件將提供誘人的機會來制造具有皮膚般柔軟性的不可感知的可穿戴電子設備和機器人。在功能性，可伸縮性和高度變形的電子學和機器人技術的競爭日益激烈的同時，該兩個課題組所做的這項突破性工作使我們越來越接近真正無處不在的電子學。
參考文獻：
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3. Bartlett, M.D. Liquid assets for soft electronics. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00939-y
