中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-034）——高透超弹液态金属纤维毡助力生物相容一体化可拉伸电子

1

工作简介

         ——高透超弹液态金属纤维毡助力生物相容一体化可拉伸电子

可拉伸电子材料和器件在可穿戴电子、软体机器人、生物电子等领域具有广泛的应用。为了提高集成度和实现多功能，近年来研究者对三维叠层结构的可拉伸电子器件开展了广泛研究。然而，已报道的器件主要基于弹性体薄膜构建，缺乏足够的透气/透液性，在长期穿戴的情况下不仅舒适性差，容易引起皮肤炎症，同时也不利于实现功能集成。另一方面，高性能的可拉伸电子器件要求可拉伸电路同时具有高电导率和高稳定性。研究者通过将高电导率和高延展性的金属材料加工成特殊的微结构使电路获得足够的可拉伸性。然而这种方式难以解决硬质金属和柔性基底力学性能匹配性差导致的容易脱落失效问题，并且制备过程复杂、技术难度高。

图1. 液态金属纤维毡的制备方法（a）、形貌和微结构（b）、高稳定性（c）、高透气/透液性（d）和良好的生物相容性（e）。

有鉴于此，香港理工大学郑子剑教授和之江实验室马志军研究员（时任华南理工大学副研究员）提出了一种采用液态金属和弹性体纤维毡构建生物相容高透超弹一体化可拉伸电子器件的策略。他们首先通过静电纺丝的方法制备弹性纤维无纺布，然后通过简单的刷涂方式将室温液态镓铟合金涂覆到弹性体纤维布表面，最后在大应变下反复拉伸获得同时具有高电导率（高达~10000 S/m）、高稳定性（Q值达~441，为已报道最高水平）和高透气/透液性（好于商用尼龙布）的弹性导体。研究发现这种材料的高稳定性和高透气/透液性是由于液态金属在反复拉伸过程中自发形成了多级褶皱的多孔结构。进一步研究证实，这种液态金属纤维毡具有良好的生物相容性，实验者将其贴敷于人体表面1周也未发生明显的皮肤炎症，因此适用于构建体表长期佩戴的可穿戴电子器件（图1）。结合漏板印刷的方式，该方法还可以实现各种液态金属弹性电路的制造。以这种弹性电路构建的发光器件即使在严重变形甚至是在水里也可以正常工作（图2）。

图2. 基于液态金属纤维毡实现的弹性电路和发光器件。

该研究进一步提出了通过静电纺丝和漏板印刷反复交替进行构建三维叠层结构超弹性电子器件的方法。不同于以往报道的研究，基于该方法制备的器件在实现叠层结构的同时可获得良好的透气/透液性能，并且各功能层的性能可以得到最大限度的发挥。作为器件演示，他们用这种方法制备了包含ECG电极（顶层）、叉指电极汗液传感器（中间层）、电加热器（底层）三功能层的一体化叠层器件。得益于材料的高稳定性和透气/透液性，该器件即使在高拉伸应变下也能正常工作（图3）。

图3. 基于液态金属纤维毡，通过静电纺丝和漏板印刷反复交替进行的方法实现高透超弹叠层结构一体化可拉伸电子器件。

该成果以“Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics”为题于2021年2月在线发表于Nature Materials（2021, 20(6), 859）。该项成果是在香江学者计划（No. XJ2016051）、香港研资局项目（PolyU 153032/18P）、国家自然基金（No. 51872095）和广州市重点研发计划（No.202007020003）共同资助下完成的。论文第一作者为马志军研究员，通讯作者为郑子剑教授。

2

作者简介

通讯作者

郑子剑，香港理工大学纺织与制衣系教授，博士生导师，长江学者讲座教授，香港青年科学院创始院士，Wiley旗下期刊EcoMat创始主编。

长期从事材料表界面科学、纳米制造、新型柔性材料、柔性电子应用等方面研究。主持国家、香港、广东等地区及横向项目50余项。在Science、Nature Materials、Nature Communications、Joule、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials 等高影响因子期刊发表论文近140篇；拥有国内外专利25项，其中部分研究成果曾荣获日内瓦国际发明奖（Geneva Innovation Award）等十多项国际大奖，并已通过专利授权等方式成功向企业转化。郑教授2018年当选首批香港青年科学院青年院士，2020年当选为教育部长江学者讲座教授，2021年当选香港研资局高级研究学者。郑教授目前担任香港理工大学材料与器件中心实验室（UMF）副主任，智能可穿戴系统研究院（RI-IWEAR）副主任，以及潘乐陶慈善基金智慧能源研究院首席研究员。于2019年创办了Wiley绿色能源环境领域的先进材料期刊EcoMat并担任主编，近年亦担任Advanced Materials和Small的客座编辑，Advanced Energy Materials及npj Flexible Electronics顾问委员会成员。

第一作者

马志军，之江实验室智能感知研究院类人感知研究中心研究专家（PI），硕士生导师。

长期从事功能纤维材料和器件方面的研究，近年来的研究兴趣尤其集中于功能纤维材料在人工肌肉和智能感知方面的应用。主持了国家自然基金、广东省自然基金等多项国家级和省部级科研项目，作为核心成员参与了教育部创新团队、科技部创新团队、国基重点等重大科研项目。已在Nature Materials、Nature Communications、Chemical Society Review、Advanced Functional Materials等高影响因子期刊发表论文110余篇，授权专利4项，获得香江学者奖、珠江科技新星等荣誉。

3

原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00902-3

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

扩展阅读

 

蔻享学术平台，国内领先的一站式科学资源共享平台，依托国内外一流科研院所、高等院校和企业的科研力量，聚焦前沿科学，以优化科研创新环境、传播和服务科学、促进学科交叉融合为宗旨，打造优质学术资源的共享数据平台。

版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！

---

原创文章首发于蔻享学术，仅代表作者观点，不代表蔻享学术立场。

转载请在『蔻享学术』公众号后台留言。