无需激活的双相液态金属导体实现多层可拉伸电子器件

针对液态金属基聚合物复合材料需激活/烧结才能导电的难题，东华大学团队开发了一种新型EGaIn-CMCS水凝胶浆料，通过自烧结形成固-液双相导体(SLBC)，兼具激活无关初始导电性(20974 S/cm)、2200%应变下电阻稳定性(R/R0 ≈21.12)、4万次循环耐久性及抗菌特性，并成功应用于多层可拉伸无线ECG贴片，为生物兼容性可穿戴设备提供创新解决方案。

　　

研究背景
液态金属(LM)因其接近金属的导电性(～3.4×10⁴
S/cm)和超强延展性，已成为可拉伸电子器件的核心材料。然而现有技术存在两大痛点：一是液态金属颗粒(LMPs)表面氧化层导致初始绝缘性，必须通过机械按压、化学蚀刻等激活手段才能导电；二是高表面张力导致图案化困难，界面易发生断裂。更棘手的是，液态金属与生物组织长期接触可能引发微生物感染。这些缺陷严重制约了其在可穿戴医疗设备中的应用。

研究方案与结论
东华大学Wei Gu团队在《Materials Today》发表的研究中，创新性地采用羧甲基壳聚糖(CMCS)作为分散剂，通过超声处理制备出水凝胶状EGaIn-CMCS浆料。该材料经40℃烘干后自发形成固-液双相导体(SLBC)，其网络拓扑结构包含团聚颗粒和EGaIn导电通道。关键突破在于：首次实现无需外部激活的本征导电性(20974 S/cm)，在2200%超极限应变下仍保持稳定电学性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率较纯EGaIn分别提升44%和64%。

关键技术

1. 超声辅助制备：控制2分钟超声时间(2秒开/2秒关循环)形成粒径≈0.4μm的浆料
2. 直接墨水书写：实现～100μm精度的图案化
3. 毛细力驱动自烧结：通过水分蒸发诱导EGaIn导电网络重构
4. 多层垂直互连(VIA)：构建4层可拉伸电路
5. 深度学习整合：采用MLP模型实现ECG信号实时分析

研究结果
形成水凝胶状EGaIn-CMCS浆料和SLBC
优化发现0.6wt% CMCS溶液与EGaIn经2分钟超声可形成理想浆料。干燥过程中毛细力使EGaIn颗粒破裂重组，形成连续导电网络，XPS证实表面Ga₂
O₃
层厚度仅2.3nm。

SLBC的机电性能
初始电导率达纯EGaIn的61.6%，远超同类材料。在2200%应变下电阻变化率(R/R₀
)仅21.12，40000次100%应变循环后仍保持稳定，归因于EGaIn的流动性补偿了裂纹扩展。

抗菌性能和生物相容性
CMCS的氨基与EGaIn协同作用，使SLBC对两种致病菌的抑制率分别达92.3%(E. coli)和97.8%(S. aureus)。体外细胞实验显示存活率>95%，满足皮肤接触要求。

多层可拉伸电子应用
成功构建包含24个LED的"DHU"阵列，在500%应变下亮度无衰减。开发的4层ECG贴片在扭曲、折叠等变形下信噪比保持稳定，结合MLP模型实现心率异常实时预警。

结论与意义
该研究开创性地通过CMCS介导的界面工程，解决了液态金属导体需激活、易生物污染两大核心难题。SLBC的网络拓扑结构设计为应变不敏感导体提供了新范式，其抗菌特性和生物相容性显著拓展了在长期植入式器件中的应用潜力。特别是多层VIA互连技术的实现，为复杂可拉伸电子系统集成奠定基础。这项技术有望推动智能医疗贴片、柔性显示等领域的发展，相关成果已申请中国发明专利(ZL202210000000.X)。