《Science Adv.》东南大学吴俊/孙立涛：超高导电弹性体！

可拉伸、轻量化且稳定的弹性导体是柔性电子从传统弯曲形态迈向真正拉伸功能的关键。然而，现有弹性导体在高导电性与优异机械性能之间长期存在“二律背反”：为达到金属级导电率，通常需填充大量液态金属（LM）或导电填料，但这会严重损害材料的拉伸性和韧性，且液态金属在高应变下易泄漏，导致短路和可靠性问题。如何在极低填料用量下同时实现金属导电性、超高拉伸性和卓越机械强度，是该领域长期未解的核心挑战。

针对这一难题，东南大学吴俊教授、孙立涛教授合作开发了一种基于不良溶剂诱导界面自组装策略的新型弹性导体。该导体以热塑性聚氨酯（TPU）为基体，仅添加5%（体积比）的液态金属纳米颗粒（LM NPs），便实现了高达3.33×10⁶ S/m的金属级导电率、超过1400%的极限拉伸应变和超过30 MPa的断裂强度（图1B）。该导体可使电子系统承受多种变形并实现与皮肤的共形贴合（图1C、D）。相关论文以“Highly conductive and ultrarobust elastic conductors for stretchable electronics”为题，发表在Science Advances 上。

图1. 高导电超韧性弹性导体用于可拉伸电子器件的示意图。 （A）三种制备液态金属导体（LM-C）的方法对比。（B）本工作制备的弹性导体性能雷达图。（C）基于该弹性导体构建的电子系统可承受多种变形。（D）导体与皮肤共形接触。

研究团队通过精确调控溶剂体系的热力学过程，在薄膜成型过程中实现了聚合物与液态金属纳米颗粒的不对称空间分布：顶部形成致密的纯聚合物弹性层，底部形成聚合物与液态金属互穿的导电层（图2C）。这种独特结构使顶部聚合物承担机械应力，底部互穿网络保障稳定导电通路，从而有效解耦电学与力学性能的相互制约。

扫描电镜和原子力显微镜成像显示，不良溶剂（乙醇）的引入诱导TPU链段发生微区聚集和起皱，形成微褶皱结构（图2E），而无需不良溶剂的薄膜则呈现均匀的硬段和软段分布（图2D）。同时液态金属纳米颗粒在重力与热力学耦合作用下沉降并富集于薄膜底部（图2F）。原子力显微镜高度图清晰显示了聚合物骨架与液态金属纳米颗粒之间的高度差，证实了互连结构的存在（图2G）。截面图像和底面结构图像进一步证实了顶部致密层与底部互穿导电域的存在（图2H-K），且液态金属富集区占比仅为薄膜总体积的约15%。该工艺还可拓展至PDMS和Ecoflex等其他弹性体体系，展现出良好的通用性。

图2. 溶液体系的热力学过程及LM-C的形成。 （A）不良溶剂对聚合物溶液中聚合物链的影响示意图。（B）溶剂/溶剂和溶剂/聚合物相互作用的调控。（C）不良溶剂诱导的具有聚合物-液态金属互穿结构的LM-C制备流程。（D）无不良溶剂薄膜的原子力显微镜（AFM）高度图。（E）含不良溶剂薄膜的AFM高度图，显示微褶皱结构。（F）无湿度控制下液态金属纳米颗粒不均匀沉降的AFM图像。（G）LM-C中聚合物骨架与液态金属纳米颗粒高度差AFM图像。（H, I）LM-C截面扫描电镜图像及对应的结构示意图。（J, K）LM-C底面结构图像及对应的结构示意图。

在电学性能方面，研究团队系统考察了不同液态金属浓度对导体性能的影响（图3A）。含5%（v/v）液态金属的导体初始电阻仅0.2 Ω，在不同浓度下表现出优异的初始电阻和相对电阻变化特性（图3B）。该导体在拉伸至超过1300%应变时，相对电阻变化（R/R₀）仅为4.24，远低于经典不可压缩球体导电模型预测值（(1+ε)²），表明其优异的应变不敏感特性（图3C）。连接LED的导线在拉伸至断裂前仍能维持LED亮度几乎不变（图3D）。原位扫描电镜揭示了其内在机制：小应变下，液态金属纳米颗粒的Ga₂O₃氧化壳通过形变适应应力；大应变下（>500%），聚合物网络局部断裂形成应力耗散区，同时氧化壳破裂释放内部流动液态金属，维持连续导电通路，从而在极大变形下仍保持稳定导电（图3E）。

图3. LM-C的性能及应变不敏感机制。 （A）LM-C中初始电导率和极限应变随液态金属浓度的变化趋势。（B）不同液态金属含量下LM-C在单轴应变至500%时的相对电阻变化。（C）LM-C在0至断裂应变范围内的相对电阻变化（红线）及基于不可压缩球形导体模型的理论预测（蓝点）。（D）含5%（v/v）液态金属的LM-C的应变不敏感性能展示。（E）LM-C的应变不敏感机制及不同应变下的原位扫描电镜图像。

力学与电学稳定性测试显示，该导体在50%至1400%循环加载-卸载中应力稳定增加（图4A），且在50%~200%应变范围内电阻仅轻微波动（图4B）。导体可承受5000次100%应变循环和1200次500%应变循环，电阻变化保持稳定（图4C）；在超过20000次按压测试中同样表现可靠（图4D）。信号传输测试表明，其在0.05 Hz至10 kHz频率范围内信号保真度优异（图4E），可用于音频信号传输，失真极小。综合性能对比显示，该导体在导电率、拉伸率和韧性方面均显著优于已报道的弹性导体材料（图4F）。

图4. LM-C的力学和电学稳定性。 （A）50%至1400%递增应变下的加载-卸载曲线。（B）对应的电阻变化。（C）循环稳定性（100%应变5000次及500%应变1200次）。（D）按压稳定性（超过20000次）。（E）信号传输稳定性（0.05 Hz至10 kHz频率范围）。（F）弹性导体的性能综合评价。

基于该高性能导体，团队构建了无线无源可拉伸近场通信（NFC）和射频识别（RFID）系统，用于生物体温度和运动监测（图5A）。研究表明，所制备的可拉伸线圈在不同距离下传输效率稳定（图5B），在0~60%应变范围内传输效率同样保持稳定（图5D），且线圈在应变下的仿真与实验表现一致（图5E）。贴附于人体胸部的NFC设备可共形贴附（图5F），并在弯曲、戳刺、扭转等极端变形下保持稳定工作（图5C、K）。RFID温度监测系统在拉伸和运动状态下均能可靠传输温度数据（图5I、J）。此外，利用接收信号强度指示（RSSI），系统可实时监测睡眠姿势和身体活动状态（图5L），展示了其在可穿戴健康监测和人机交互中的广阔应用前景。

图5. 无线无源可拉伸电子系统。 （A）可拉伸无线无源系统（WPTS）的双端口网络模型示意图。（B）WPTS在不同距离下的传输效率η。（C）制备的NFC器件在机械变形后的照片。（D）WPTS在不同应变下的传输效率η。（E）基于LM-C的可拉伸线圈仿真（a）与制备实物（b）在不同应变下的表现。（F）贴附于胸部的可拉伸NFC器件照片。（G）可拉伸NFC器件在健康监测中的潜在应用示意。（H）可拉伸RFID标签与PC连接RFID读写器的工作原理示意图。（I, J）可拉伸RFID标签在拉伸状态下（I）和运动状态下（J）的温度监测性能实验演示。（K）器件在弯曲、戳刺和扭转等机械变形下的共形贴合与韧性展示。（L）可穿戴系统用于睡眠姿势和身体活动实时监测的数据，其中接收信号强度指示（RSSI）用于评估人体运动状态。

该研究通过巧妙的溶剂热力学调控，为高性能弹性导体的设计提供了全新思路，突破了传统导电复合材料中电学与力学性能难以兼得的瓶颈。所开发的导体兼具金属导电性、超高拉伸性、高韧性和优异稳定性，且制备工艺简单、可扩展至多种弹性体体系，有望推动下一代可拉伸电路、软体机器人、植入式器件及智能医疗电子系统的实际应用。