《Science Adv.》東南大學吳俊/孫立濤：超高導電彈性體！

可拉伸、輕量化且穩定的彈性導體是柔性電子從傳統彎曲形態邁向真正拉伸功能的關鍵。然而，現有彈性導體在高導電性與優異機械性能之間長期存在“二律背反”：為達到金屬級導電率，通常需填充大量液態金屬（LM）或導電填料，但這會嚴重損害材料的拉伸性和韌性，且液態金屬在高應變下易泄漏，導致短路和可靠性問題。如何在極低填料用量下同時實現金屬導電性、超高拉伸性和卓越機械強度，是該領域長期未解的核心挑戰。

針對這一難題，東南大學吳俊教授、孫立濤教授合作開發了一種基于不良溶劑誘導界面自組裝策略的新型彈性導體。該導體以熱塑性聚氨酯（TPU）為基體，僅添加5%（體積比）的液態金屬納米顆粒（LM NPs），便實現了高達3.33×10? S/m的金屬級導電率、超過1400%的極限拉伸應變和超過30 MPa的斷裂強度（圖1B）。該導體可使電子系統承受多種變形并實現與皮膚的共形貼合（圖1C、D）。相關論文以“Highly conductive and ultrarobust elastic conductors for stretchable electronics”為題，發表在Science Advances 上。

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

研究團隊通過精確調控溶劑體系的熱力學過程，在薄膜成型過程中實現了聚合物與液態金屬納米顆粒的不對稱空間分布：頂部形成致密的純聚合物彈性層，底部形成聚合物與液態金屬互穿的導電層（圖2C）。這種獨特結構使頂部聚合物承擔機械應力，底部互穿網絡保障穩定導電通路，從而有效解耦電學與力學性能的相互制約。

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TPU鏈段發生微區聚集和起皺，形成微褶皺結構（圖2E），而無需不良溶劑的薄膜則呈現均勻的硬段和軟段分布（圖2D）。同時液態金屬納米顆粒在重力與熱力學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金屬納米顆粒之間的高度差，證實了互連結構的存在（圖2G）。截面圖像和底面結構圖像進一步證實了頂部致密層與底部互穿導電域的存在（圖2H-K），且液態金屬富集區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，展現出良好的通用性。

圖2. 溶液體系的熱力學過程及LM-C的形成。 （A）不良溶劑對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控。（C）不良溶劑誘導的具有聚合物-液態金屬互穿結構的LM-C制備流程。（D）無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，顯示微褶皺結構。（F）無濕度控制下液態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金屬納米顆粒高度差AFM圖像。（H, I）LM-C截面掃描電鏡圖像及對應的結構示意圖。（J, K）LM-C底面結構圖像及對應的結構示意圖。

在電學性能方面，研究團隊系統考察了不同液態金屬濃度對導體性能的影響（圖3A）。含5%（v/v）液態金屬的導體初始電阻僅0.2 Ω，在不同濃度下表現出優異的初始電阻和相對電阻變化特性（圖3B）。該導體在拉伸至超過1300%應變時，相對電阻變化（R/R?）僅為4.24，遠低于經典不可壓縮球體導電模型預測值（(1+ε)2），表明其優異的應變不敏感特性（圖3C）。連接LED的導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在機制：小應變下，液態金屬納米顆粒的Ga?O?氧化殼通過形變適應應力；大應變下（>500%），聚合物網絡局部斷裂形成應力耗散區，同時氧化殼破裂釋放內部流動液態金屬，維持連續導電通路，從而在極大變形下仍保持穩定導電（圖3E）。

圖3. LM-C的性能及應變不敏感機制。 （A）LM-C中初始電導率和極限應變隨液態金屬濃度的變化趨勢。（B）不同液態金屬含量下LM-C在單軸應變至500%時的相對電阻變化。（C）LM-C在0至斷裂應變范圍內的相對電阻變化（紅線）及基于不可壓縮球形導體模型的理論預測（藍點）。（D）含5%（v/v）液態金屬的LM-C的應變不敏感性能展示。（E）LM-C的應變不敏感機制及不同應變下的原位掃描電鏡圖像。

力學與電學穩定性測試顯示，該導體在50%至1400%循環加載-卸載中應力穩定增加（圖4A），且在50%~200%應變范圍內電阻僅輕微波動（圖4B）。導體可承受5000次100%應變循環和1200次500%應變循環，電阻變化保持穩定（圖4C）；在超過20000次按壓測試中同樣表現可靠（圖4D）。信號傳輸測試表明，其在0.05 Hz至10 kHz頻率范圍內信號保真度優異（圖4E），可用于音頻信號傳輸，失真極小。綜合性能對比顯示，該導體在導電率、拉伸率和韌性方面均顯著優于已報道的彈性導體材料（圖4F）。

圖4. LM-C的力學和電學穩定性。 （A）50%至1400%遞增應變下的加載-卸載曲線。（B）對應的電阻變化。（C）循環穩定性（100%應變5000次及500%應變1200次）。（D）按壓穩定性（超過20000次）。（E）信號傳輸穩定性（0.05 Hz至10 kHz頻率范圍）。（F）彈性導體的性能綜合評價。

基于該高性能導體，團隊構建了無線無源可拉伸近場通信（NFC）和射頻識別（RFID）系統，用于生物體溫度和運動監測（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定（圖5B），在0~60%應變范圍內傳輸效率同樣保持穩定（圖5D），且線圈在應變下的仿真與實驗表現一致（圖5E）。貼附于人體胸部的NFC設備可共形貼附（圖5F），并在彎曲、戳刺、扭轉等極端變形下保持穩定工作（圖5C、K）。RFID溫度監測系統在拉伸和運動狀態下均能可靠傳輸溫度數據（圖5I、J）。此外，利用接收信號強度指示（RSSI），系統可實時監測睡眠姿勢和身體活動狀態（圖5L），展示了其在可穿戴健康監測和人機交互中的廣闊應用前景。

圖5. 無線無源可拉伸電子系統。 （A）可拉伸無線無源系統（WPTS）的雙端口網絡模型示意圖。（B）WPTS在不同距離下的傳輸效率η。（C）制備的NFC器件在機械變形后的照片。（D）WPTS在不同應變下的傳輸效率η。（E）基于LM-C的可拉伸線圈仿真（a）與制備實物（b）在不同應變下的表現。（F）貼附于胸部的可拉伸NFC器件照片。（G）可拉伸NFC器件在健康監測中的潛在應用示意。（H）可拉伸RFID標簽與PC連接RFID讀寫器的工作原理示意圖。（I, J）可拉伸RFID標簽在拉伸狀態下（I）和運動狀態下（J）的溫度監測性能實驗演示。（K）器件在彎曲、戳刺和扭轉等機械變形下的共形貼合與韌性展示。（L）可穿戴系統用于睡眠姿勢和身體活動實時監測的數據，其中接收信號強度指示（RSSI）用于評估人體運動狀態。

該研究通過巧妙的溶劑熱力學調控，為高性能彈性導體的設計提供了全新思路，突破了傳統導電復合材料中電學與力學性能難以兼得的瓶頸。所開發的導體兼具金屬導電性、超高拉伸性、高韌性和優異穩定性，且制備工藝簡單、可擴展至多種彈性體體系，有望推動下一代可拉伸電路、軟體機器人、植入式器件及智能醫療電子系統的實際應用。