超薄液态金属微网格电极：实现高可折叠与防泄漏的柔性电子新突破

《npj Flexible Electronics》：Highly foldable and leakage-free electrodes enabled by ultrathin liquid metal micromeshes

本研究针对液态金属电极在极端变形下易泄漏和功能失效的难题，开发了一种基于界面自组装和激光烧结的超薄液态金属微网格电极。该电极厚度可低至317纳米，具备1200%的拉伸率、70微米弯曲半径下万次折叠稳定性以及968.75千帕的防泄漏能力，其微网格结构有效分散应变并限制液态金属流动，在柔性LED阵列、无线能量传输和角度传感中展现出优异应用潜力。

　　

在软体机器人、可穿戴设备和生物医学装置等新兴领域，柔性电子技术正发挥着越来越重要的作用。然而，要实现电子设备在复杂三维变形下的稳定运行，一个核心挑战是如何制造出同时具备高拉伸性和高折叠性的电极材料。传统固体导电薄膜（如铜、金或石墨烯）通过折纸结构、蛇形图案等设计虽能提升一定柔韧性，但拉伸率有限，且难以应对完全折叠时产生的局部应力集中问题。另一方面，液态金属（LM）因其高导电性和流体适应性被视为理想候选材料，但常规液态金属电极厚度较大（>20微米），在机械刺激下容易发生泄漏，导致设备可靠性下降。

针对这一难题，中国科学技术大学的研究团队在《npj Flexible Electronics》发表了一项创新研究，提出了一种超薄液态金属微网格电极的制备策略。该电极通过液态金属微颗粒的界面自组装和激光烧结技术形成，最小厚度仅317纳米，不仅实现了1200%的拉伸率和70微米弯曲半径下的万次折叠循环稳定性，还展现出高达968.75千帕的防泄漏能力。其微网格结构既能分散应变，又可将液态金属限制在特定路径中，从而在极端变形下保持结构和功能的完整性。

关键技术方法主要包括：1）通过探针超声破碎和离心分级制备不同尺寸的液态金属微颗粒浆料；2）利用马兰戈尼效应在气-水界面自组装成连续薄膜；3）采用皮秒激光（波长355纳米，光斑直径25微米）选择性烧结微颗粒形成导电微网格；4）碱液处理去除未烧结颗粒实现图案化；5）通过氧等离子体处理增强与非极性基底的粘附力。

研究结果方面，电极的制备与表征显示，激光烧结后的微网格电极有效电导率最高达7.6×10⁵S/m（五层结构），且碱处理不影响其导电性。电学与力学性能测试表明，电极在300%应变下归一化电阻（R/R₀）仅为1.66，且在2000次拉伸循环后仅产生4.83%的不可逆变化。折叠性能测试中，封装电极在70微米弯曲半径下经历10,000次折叠后电阻变化小于17%，SEM显示褶皱区域仅出现轻微表面皱纹而无结构破损。防泄漏性能对比显示，微网格电极的泄漏压力（968.75千帕）显著高于喷墨打印（4.38千帕）和金属模板法制备的电极，撕裂后仍保持906.25千帕的高抗泄漏性。此外，微网格结构还赋予电极约50%的光透过率，具备透明电极应用潜力。

在应用验证方面，柔性LED阵列在折叠、扭曲和300%拉伸下均保持稳定工作，连续5小时运行电流波动小于2%。无线能量传输系统中，螺旋线圈在200%双轴应变下仍能正常传输能量，6小时持续工作中感应电压振幅几乎无变化。角度传感器基于矩形线圈电感变化原理，在0°–180°折叠范围内电感从1.69μH降至1.50μH，滞后率仅2.05%，最小检测限达10角分。集成于热塑性弹性体（TPE）手套的传感器可实时监测指关节弯曲角度，并在水下及500次弯曲循环中保持稳定性能。

讨论部分指出，该研究通过界面自组装和激光烧结技术制备的超薄液态金属微网格电极，兼具高分辨率图案化（最小线宽10微米）、优异机械鲁棒性和环境适应性。尽管微网格结构导致电导率低于块体液态金属，但其在极端变形下的稳定性优势显著，为下一代可拉伸、可折叠电子系统提供了可靠平台。该电极在柔性显示、可穿戴传感和软体机器人等领域的应用展示，凸显了其作为多功能柔性电子平台的巨大潜力。