柔性电子与生物医学的前沿探索

【研究背景】

随着可穿戴电子产品、软体机器人和生物电子设备等领域的迅速发展，对可伸缩电子设备的需求日益增加。这些设备需要能够在复杂的环境中实现高度可变形和稳定的导电性能。然而，传统的可伸缩导体材料，如金属纳米线和导电聚合物，由于其固有的刚性而在长期使用中易出现导电性能下降的问题。因此，研究人员转向使用液态金属作为一种潜在的解决方案，因其在室温下具有优异的导电性能和出色的变形能力。

液态金属电子设备制造面临着诸多挑战，包括复杂的制造工艺、液态金属与聚合物基底之间界面粘附性不足以及环境兼容性等问题。传统的制造方法如烧结和转移印刷，受到液态金属低粘度和高表面张力的限制，通常导致电路精度低、稳定性差的情况。此外，现有的纳米纤维加载液态金属的方法，虽然在导电性和可伸缩性方面表现出色，但由于液态金属与聚合物网络的不良界面相容性，导致液态金属的泄漏和电路不精确的问题依然较为显著。

为解决这些问题，苏州大学严锋教授团队采用了一种创新的方法，即利用电纺聚合物纤维膜作为载体，半嵌入液态金属颗粒，并通过压力印模技术实现电路图案化。通过精心选择电纺聚合物和液态金属颗粒，研究人员成功地在纳米纤维网格中形成了导电区域，同时提高了液态金属与聚合物之间的界面粘附性。这种方法不仅有效地解决了传统方法中电路精度低、稳定性差的问题，还显著提升了电路的灵活性和个性化设计的可实现性。研究还展示了通过这种技术制造的电路在集成各种电子组件后，能够实现多种功能，包括方波信号输出、LED照明和无线充电等。这些柔性电路具有出色的线宽、间距以及超过30,000次的良好循环稳定性，同时具备优异的生物相容性和透湿性，使其特别适用于制造灵活的生物电信号传感器，如心电图和肌电图等应用。

【科学亮点】

（1）实验首次采用了含有半嵌入液态金属颗粒的电纺聚合物纤维膜（LMNM）制备可伸缩电子设备。通过压力印模技术，成功地实现了灵活的定制液态金属电路。（2）实验通过精心选择液态金属颗粒和电纺聚合物纤维，LMNM表现出高弹性（最高可达400%）、透湿性（每平方米2,941克/天）和高载液态金属含量。初期，LM颗粒半嵌入且不导电，但在印模过程中，LM颗粒外部破裂并填充纤维网格的间隙，形成了导电区域。这一过程不仅增强了LM与聚合物之间的界面相容性，还实现了图案化电路的便捷制备和个性化设计的灵活性。（3）通过压力印模的LMNM制造的电路展示了优异的性能：具有50微米的最小线宽、100微米的间距和超过30,000次的良好循环稳定性。这些电路可以与各种电子组件集成，执行多种功能，如输出方波信号、LED照明和无线充电。（4）此外，LMNM的生物相容性和透湿性使其适合制造灵活的生物电信号传感器，如心电图（ECG）和肌电图（EMG）传感器。最后，LMNM的组成材料可以通过溶解聚合物组分来轻松分离和回收利用，有助于减少电子废物的环境影响。 

图1：具有半嵌入液态金属颗粒的纳米纤维膜liquid metal-containing nanofibre membrane，LMNM和压印导电路径的制造示意图。

图2：热塑性聚氨酯弹性体 thermoplastic polyurethane ，TPU纳米纤维中，液态金属liquid metal，LM颗粒，对压印导电路径的影响。 

图3：具有液态金属颗粒的纳米纤维膜LMNM的机械和电气性能以及稳定性。

图4：基于具有液态金属颗粒的纳米纤维膜LMNM的功能电路和回收过程。 

图5：基于具有液态金属颗粒的纳米纤维膜LMNM的发光电路和环形无线能量传输电路。 

图6：渗透性、生物电检测和光热转换能力。

【科学启迪】

本文描述了一种基于压力印模LMNM（液态金属纳米纤维膜）制造电极和柔性功能电路的方法。液态金属颗粒半嵌入在电纺聚合物纤维网络中，并与纤维直径精确匹配。当受到压力时，这使得液态金属颗粒的外部部分破裂并填充纤维网格中的间隙，形成导电网络。纤维内的液态金属颗粒成为固定锚点，而溢出的液态金属紧密结合在同一平面的纳米纤维上，从而改善了液态金属与聚合物的界面相容性。所得的LMNM表现出高达400%的弹性和每平方米2,941克的透湿性，适合高载液态金属。通过使用三维打印模板作为印章，可以选择性地对LMNM施加压力，实现快速的图案化电路后制备。构建的柔性电子设备具有高分辨率（最小线宽为100微米）和循环稳定性（>30,000次）。通过将LMNM电路与各种电子设备集成，可以实现多种功能，如输出方波信号、光发射电路和无线充电。良好的生物相容性和透湿性还使得LMNM适用于生物电信号采集，例如心电图（ECG）和肌电图（EMG）信号。LMNM的聚合物和液态金属组分可以回收利用。使用液态金属颗粒的印模方法可以推广到其他常见的电纺聚合物。

原文详情：Zheng, S., Wang, X., Li, W.et al. Pressure-stamped stretchable electronics using a nanofibre membrane containing semi-embedded liquid metal particles. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01194-0

（来源：科学之邦）