电子产品无处不在。在电子设备内部，硅和其他熟悉材料的特性似乎能实现人们想要的一切：速度、精度、功率。但是，当我们迈向技术沉浸式世界时，电子设备和机器人会被磨损并与人类互动，突然我们遇到了一个问题：传统的电子设备是刚性的、不可拉伸的、扁平的，而人则是柔软的、可拉伸且弯曲的。为了克服这一挑战，如果我们可以用完全不同的东西（如液体）代替像铜这样的固体电子材料，那会怎么样？
近日，在Nature Materials杂志上发表的两项独立研究中，耶鲁大学的Rebecca Kramer-Bottiglio课题组和香港理工大学郑子剑教授课题组报告了利用液态金属网络实现高导电性、超可拉伸性和机械稳定性电子产品的方法。总而言之，这些研究展示了液体导体是如何为下一代类似皮肤的电子产品的透气集成设备铺平道路的。
可拉伸电子有三种主要方法：
1）几何图形结构，其中弯曲和蛇形结构赋予固体刚性材料可拉伸性；
2）本质上可拉伸的材料，具有导电性，并可在其块体或薄膜形式中拉伸；
3）导电柔性复合材料。
每一种方法都有其优点和缺点，这就引起全球科学家对跨学科的兴趣，将材料、力学、化学和制造方法结合起来，用于可拉伸和柔性电子。然而，正如在这两份报告中看到的，可以模糊不同方法之间的界限以提供突破性的性能。
图1.液态金属可伸缩电子产品
使用双相镓铟的高拉伸性多层电子电路
Kramer-Bottiglio等人表明，室温液态金属（例如共晶铟镓（EGaIn））与固体颗粒混合以形成双相（液-固）复合混合物时，会表现出优异的表现（图1a）。与以前将不同的金属颗粒混合到液态金属中的工作不同，本工作在原位形成固态氧化镓颗粒。
于此，当液态金属纳米颗粒被加热到900°C时，由于氧化和相分离，在表面形成一层固体薄膜；同时，下面的液态金属颗粒破裂并合并成一个液体网络。这形成一个高导电性（2.06×106 S m–1）薄膜，然后可以转移到软弹性体上。这种混合物还润湿了电子元件，克服了液态金属通常难以与其他表面接触的难题。
当一根实心金属丝被拉伸时，它会变得更长更薄，从而导致电阻的增加。然而，当双相液态金属在可拉伸基底上形成时，可以在电阻变化很小的情况下拉伸到1000%以上的应变（原始长度的10倍）。这种行为不仅是迷人的，而且很有用。例如，当双相液态金属与刚性电子元件一起使用时，软电路可以在电阻变化最小的情况下拉伸，就好像它们根本没有变形一样。这是通过在可穿戴电子套管上创建一个多层软电路来证明的，当它弯曲和不弯曲时，它的功能同样良好。
图|可拉伸电路板组件
渗透性超弹性液态金属纤维垫可实现生物相容性和整体式可拉伸电子器件
郑子剑教授课题组开发了一种由液态金属纤维垫复合材料制成的可拉伸导体（图1b）。在这里，液态金属的EGaIn涂在静电纺的弹性纤维垫上，并且在拉伸薄膜时显现出其性能。这就形成了一种自组装结构，液态金属在一系列孔隙中分裂成连接的区域。这同时实现了两个重要特征：它创建了一个多孔结构，允许空气和水分通过薄膜，并且液态金属网络成为一个高度导电（1.80×106 S m–1）的可拉伸导体。液态金属畴上覆盖着起皱的氧化镓，这表明训练过程从根本上改变了液态金属的结构。在这一初始训练过程之后，电阻在拉伸过程中保持恒定，极限应变甚至达到>1500%。
液态金属的固有拉伸能力与独特的多孔结构相结合，具有重要的优势。具体来说，它克服了目前许多基于弹性体的设备的局限性，并允许气体和液体的渗透性，同时保持通过液态金属的高导电性——这两者对于未来可穿戴设备的生物相容性都很重要。与对照组相比，研究人员发现多孔液态金属垫具有良好的耐磨性。细胞试验显示体外细胞毒性较低，在兔皮肤上进行的体内动物试验没有引起明显的刺激，志愿者前臂的初步可穿戴性表明，在为期一周的试验中，这种渗透性有助于提高可穿戴性。
图|渗透性和超弹性液态金属纤维垫
两者所用材料
两项研究中使用的室温液态金属均是EGaIn合金。该材料具有低粘度（2 mPa s，约为水的两倍），高电导率（3.4×106 S m-1）和低毒性等特点。重要的是，该合金还可以在氧气存在下迅速氧化形成氧化镓，从而在材料表面形成纳米级薄的氧化物壳。
总结与展望
正如这些工作中所展示的，将软电子与刚性组件合并在一起的混合电子方法对于高性能设备来说是一种很有前途的方法。在这个领域，挑战仍然存在，尤其是在考虑如何最终封装这些设备并与外部硬件交互时。当软质材料与刚性组合拉伸时，界面会产生应力而分层，这使得界面的附着力变得至关重要。
从广义上讲，这两个报告都表明，液体为制造软设备和机器人技术提供了一条途径。功能性液体组件将提供诱人的机会来制造具有皮肤般柔软性的不可感知的可穿戴电子设备和机器人。在功能性，可伸缩性和高度变形的电子学和机器人技术的竞争日益激烈的同时，该两个课题组所做的这项突破性工作使我们越来越接近真正无处不在的电子学。
参考文献：
1. Liu, S., Shah, D.S. & Kramer-Bottiglio, R. Highly stretchable multilayer electronic circuits using biphasic gallium-indium. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00921-8
2. Ma, Z., Huang, Q., Xu, Q. et al. Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00902-3
3. Bartlett, M.D. Liquid assets for soft electronics. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00939-y
