香港理工王钻开Device：液态金属创新助力柔性电子变革 | Cell Press论文速递
物质科学
Physical science
凭借独特的性能优势，液态金属在柔性电子领域大放异彩并展现出了广阔的应用前景。有鉴于此，来自香港理工大学的王钻开教授团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Revolutionizing flexible electronics with liquid metal innovations”的观点论文，对柔性电子器件中的液态金属进行了详细阐述。本文综述了柔性液态金属电子器件在制造方法和应用方面的最新进展，并对其现状和前景进行了评述与展望，旨在点明液态金属在柔性电子器件中的挑战和机遇，并为该领域未来的研究方向提供见解。
▲长按图片识别二维码阅读原文
柔性和可穿戴电子设备由于其多样化的功能，已经在医疗保健、人机交互、能源管理等领域展现出极大应用前景。然而目前常用的金属纳米线、碳纳米管、石墨烯和导电材料聚合物等仍存在着一些本征缺陷。因此，开发新型先进材料势在必行。液态金属（LM），即在室温或接近室温时处于液态的金属材料，凭借其独特的性能，为推进柔性和可穿戴电子设备发展提供了新的机遇。例如镓基合金，不仅具有低毒、低熔点、高导电性、强流动性，且兼具高导热性和优良自愈能力等特点，为开发新型灵活度高、舒适且可靠的可穿戴电子产品开发提供了可能（图1）。因此，本文基于当前液态金属在柔性电子领域的发展现状，全面论述了与其相关的制造策略，应用领域，以及所面临的挑战、瓶颈、共性问题和未来机遇。
图1：LM的特性及其在柔性和可穿戴电子产品中的应用。
制造技术是电子设备的性能、成本效益、效率和工业化前景等方面的基石。本文首先总结了柔性LM基电子器件的制造方法，主要包括热拉伸法、印刷法、激光剥蚀法、热成形法等（图2）。比较和分析了各种制造策略的特点（表1），并提出了一些关于柔性LM基电子器件制造方法的见解。
图2：柔性金属基电子器件的关键制造方法。
接下来，本文对各种柔性LM基电子器件的最新研究进展进行了系统总结：
LM基柔性传感器的发展
LM基柔性传感器历经了电容式构造到综合多维传感模式的演变（图3），凸显了研究开发者对准确性和多功能性的不懈追求。LM传感器已用于实现温度传感和形变传感，比如LM-水凝胶应变传感器能够将手语转化为声音来交流。同时LM纤维传感器也开辟了智能纺织品的，功能齐全、价格低廉、易于实现的电子纺织品为健康监测、人机交互和软机器人等应用提供了新的解决方案。未来，LM传感器有望集成到健康监测、交互式纺织品等多种应用场景中。
图3：LM基柔性传感器。
LM基柔性制动器
基于LM的仿生驱动器模拟生物运动，利用LM的特性来实现高灵活性和高效的能量传递。受攀缘植物卷须的启发，基于不对称热膨胀的LM/聚酰亚胺/聚四氟乙烯制备出可编程光热致动器（图4）。从仿生运动到三维驱动，如何提升其稳定性和可靠性是一个值得关注的研究方向。而结合电磁驱动和形状记忆效应之间的耦合，更加激活了LM的多功能性。可以期待，LM将继续在柔性电子领域做出重大贡献。
图4：LM基柔性制动器。
LM基柔性天线
天线的变形影响其微波性能，包括谐振频率、辐射方向和辐射效率等，因此设计用于无线数据和电力传输的新材料和创新结构至关重要。LMs材料的高导电性、可变形性和自愈能力使其非常适合用于柔性天线。最近，一种用于水凝胶电子器件的LM天线被报道，表明LM天线可以在拉伸和弯曲条件下有效工作(图5B)。此外，LM纤维通过数字刺绣被整合到纺织品中(图5C)。作为一个实用案例，这种用于向生物电子设备传输无线电的纺织天线需要具有可洗性和高耐用性。此外，三维线圈状LM电极可用于三维可穿戴电子设备的无线电传输(图5D)。此外，LM材料不仅可以保护可拉伸电子设备中的敏感部件，还可以集成到生物医学设备中彰显医疗技术的突破性转变。可以预见，精细控制的LM基柔性天线的兴起将为植入式生理检测设备带来更多机会。
图5：LM基柔性天线。
柔性LM基发动机和电池
与其他功能材料相结合的LM基材料，在制造柔性能量收集器和能量存储设备等方面同样展现出巨大的潜力（图6）。柔性摩擦纳米发电机(TENGs)采用LM基材料作为摩擦发电材料或电极，可以从人体运动或外部环境中获取机械能。热电发电机(TEGs)利用热电效应将热能转化为电能，为可穿戴电子产品提供高可靠性、耐用性和无噪音运行。在无枝晶、高能量、低成本的碱金属电池中，LMs有望成为锂的替代品。可穿戴电池需要考虑灵活性和可拉伸性。Liu等人制造了一种可拉伸的可充电电池，该电池由EGaIn阳极、MnO2阴极、碱性PAAm凝胶电解质和柔软的硅胶封装组成。该电池具有面积比容量(≈3.8 mAh cm−2)和稳定的充放电性能，即使在变形时也可以为可穿戴电子设备供电(图6E)。保持轻便、灵活、高效、高容量和能量密度的电池对这些设备的未来应用至关重要。电极纳米结构和电解质组分优化方面的创新将为柔性电子学带来进一步的革新。
图6：LM基柔性发电机和电池。
柔性LM基电路
蓬勃发展的可穿戴技术对高度集成、可拉伸电路的需求不断增加。最近，一种室温可拉伸的粘贴式焊接工艺被开发出来，该工艺使用了可图案化的LM-银纳米线复合薄膜(图7A)，轻轻按压焊接贴片即可连接芯片和导体。此外，Ma 等人通过在电纺弹性纤维膜上涂覆或印刷EGaIn制备了一种可渗透的液态金属纤维垫(LMFM)。这种LMFMs具有高透气性和拉伸适应性。此外，LM-PDMS复合材料在器件损坏时具有自修复能力，因此，LM基柔性电路为可穿戴电子产品和软机器人设计灵活、耐用的电路开辟了新的途径。如图7E所示，基于LMPNet的多层E-PCB集成了各种电子元件，如集成电路芯片、电阻、晶体管和电容器。近期在工程研究上的进步为健康监测、医疗和人机交互等领域的繁荣发展铺平了道路。
图7：LM基柔性电路。
总结
LM的独特优势为柔性和可穿戴电子产品提供了巨大潜力。本文在此全面概述了LM基柔性电子领域的最新进展：包括LM基柔性电子器件的制造方法，以及LM在传感、制动器、天线、能量收集和存储以及电路中的广泛应用。虽进展颇丰，然挑战仍存。如图8所示，LM基柔性电子领域目前在耐久性、泄漏、坚固性、工作温度和机械失配等关键性能方面仍存在问题亟待解决。
图8：LM基柔性电子领域面临的挑战总结。
但同时，本文也大胆设想这种非常规的、动态变化的LM流体特性及其液/固和液/液界面的相互作用也有望为推进柔性电子领域（如增材制造、传感器、机器人和能量收集器）提供丰富的机会。此外，LM的金属导电性使我们有理由相信，在电场作用下的LM也值得进一步研究。虽然LMs的流变行为和润湿动力学受到的关注较少，但它们对于保证柔性电子器件的精度和使用寿命至关重要。
随着LM基柔性器件的快速发展，人们期望它们兼具紧凑、灵活、低成本、安全、稳定、耐用、高性能、无线连接等特点。为此，需要来自电子、材料科学、力学、生物医学等相关学科的研究人员进行更为深入且广泛的合作，以促进LM基柔性电子领域的进一步创新。期待LM基柔性电子领域在未来取得更多突破，为人类带来更多便利和福祉！
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Device上，
点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Revolutionizing flexible electronics with liquid metal innovations
▌论文网址：
https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00123-6
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100331
▲长按图片识别二维码阅读原文
Cell Press Multi-Journal Submission（点击查看）的前身Cell Press Community Review模式于2021年推出。对于通过Cell Press Multi-Journal Submission“多刊审稿”模式投稿的作者，我们将提供稿件被至多6本期刊同时考虑的机会。超过80%通过Cell Press Multi-Journal Submission“多刊审稿”模式投稿的文章获得了至少一个或多个期刊的评审。
CellPress细胞出版社
推荐阅读
▲长按识别二维码关注细胞科学