新國大團隊建構液固雙層可拉伸導體，無懼上萬次伸縮和22倍拉伸，不易出現裂紋和明顯電學衰減

對于可穿戴生物電子或體内植入生物電子，許多人一直有這樣一個期待：那就是希望它能像人體一樣軟彈堅韌，可以和我們的肉體完美地相容。

對于柔性可拉伸生物電子來說，一個很重要的組成部分便是可拉伸導體。如果把一個柔性可拉伸生物電子系統比喻成一棟“變形大廈”，生物電子就是裡面的“彈性磚頭”。

“彈性磚頭”可以聯合其他材料建構諸多的“功能單元”，比如傳感器、換能器、通訊子產品、電路和連接配接線，最後建成整座“大廈”。

目前在制備“彈性磚頭”時，人們普遍基于彈性體、以及銅、銀、碳等各種傳統固态導電微納材料的複合。

這些固态導電材料本身不具有拉伸性，雖然這種“彈性磚頭”在彈性聚合物的幫助之下，能夠承受一定的應力或應變。但是，經過長期或劇烈的應力應變, 比如上萬次伸縮或者 2 倍以上拉伸，“彈性磚頭”就會産生很多微裂紋，導緻電學斷裂或實體斷裂，最終引發“功能單元”或“整個大廈”的癱瘓或倒塌。

同時，這些可拉伸導體和傳統固态微電子的連接配接也面臨着巨大挑戰。傳統的焊錫高溫焊接并不适用于這種軟-硬連接配接，因為軟電子既不耐高溫，和焊錫也不相容。

而基于聚合物的導電膠，固然能和軟電子相容，但是難以實作精細微焊接。對于接口來說，它也容易在長期或劇烈力學刺激之下，出現類似的裂紋和電學斷裂。

後來人們開始從液态金屬身上尋找方案。液态金屬——之是以擁有這樣的名字組合，是因為它既擁有固态金屬的導電性，也擁有液體的流動性。是以，它本身具有變形的能力。

比如，大家熟知的水銀汞便是液體金屬的典型代表，而我們采用的是另一種生物安全性更好的镓铟合金。如果利用液态金屬材料去代替固态導電材料建構“彈性磚頭”，雖然有望解決上述問題，但是液态金屬存在一些很難駕馭的特點，那就是它有着較大的表面張力和一定的氧化能力。

液态金屬就像一個超級愛動的“小朋友”，很難乖乖讓它按照某個姿态待在某個地方。當把液态金屬塊體碎成很多小顆粒，顆粒表面會産生一層氧化物，雖然有利于操控也能阻礙進一步氧化，但會導緻整體不導電。

是以，針對長期或劇烈力學刺激的穩定性問題、以及軟-硬連接配接的問題，目前基于液态金屬的可拉伸導體，都尚未得到很好的解決方案。正是基于上述背景，新加坡國立大學博士後陳書文和同僚造出了一種液固雙層可拉伸導體。

圖 | 陳書文（來源：陳書文）

建構液固雙層可拉伸導體，無懼上萬次伸縮和 22 倍拉伸

這種液固雙層可拉伸導體，基于液态金屬、液态金屬顆粒和彈性聚合物。制備時，并不是一層層地平鋪實作，而是在剝離過程中自動形成的。

在液固雙層可拉伸導體原材料上，課題組采用液态金屬微納顆粒和高極性彈性體的複合油墨配制而來，它可以和很多基底相容，是以很容易對其加以操控，印刷成形之後是一層絕緣的複合物。

将帶有前驅體的基底從粘性膠上剝離時，在剝離過程中産生的應力，會自動驅使這種單層絕緣體向雙層導電體轉變。進而形成一種特殊結構：上層是液态金屬膜，下層是固态複合物。其中：

上層的液态金屬膜有利于自動進行軟-硬連接配接。這時隻需将固态電子放在液固雙層可拉伸導體上面，按壓之後固态電子引腳就會自動伸入上層液态金屬膜之中，進而實作電學連接配接。

下層固态複合物則有利于穩定液固雙層可拉伸導體和基底的連接配接。是以即便曆經上萬次伸縮和 22 倍拉伸，液固雙層可拉伸導體也沒有出現裂紋和明顯的電學衰減。

（來源：資料圖）

特别有意思的是，當它受到刀傷出現裂縫時，下層的液态金屬顆粒會開始破裂，進而将裡面的液态金屬釋放出來自動彌補缺口，進而立即恢複電學性能。

是以，液固雙層可拉伸導體可以像皮膚一樣軟彈堅韌，既可以穩定地承受長期或劇烈的力學刺激，又可以友善快速地實作軟-硬電子連接配接。

對于本次工作，審稿人認為和領域内的已有論文相比，本次論文的水準位于該類論文的前 15%。

審稿人之一認為課題組僅僅通過剝離就能得到這種奇特的液固雙層可拉伸導體。在它的電學性能上，它對于應力展現出了非常強的魯棒性，這對于可拉伸電子來說十分有吸引力。

審稿人之二認為這種液固雙層可拉伸導體兼具自焊接能力和自愈合能力，在大形變之下存在幾乎不變的電導率和電阻。

整體來看，這種液固雙層可拉伸導體能用于建構加熱器、無線系統、可拉伸傳感器、可拉伸顯示器、可拉伸加熱器，進而建構基于可拉伸生物傳感的人機互動系統等。

對于這種人機互動系統來說，其中一個很典型的應用場景便是用于監測心髒電生理圖。

房顫，是一種常見的心律失常，通常發生在心髒的心房部分。當一個人發生房顫時，心房跳動不再遵循正常的有序方式，而是以不規則、且快速的方式跳動着，這可能導緻心髒無法将血液充分泵入心室，增加患者出現血栓、中風和其他心血管問題的風險。

對于嚴重型慢性房顫患者來說，特别是藥物治療無效或已經出現無法耐受的患者，醫生可能會建議進行電生理研究和消融術，即通過電生理研究來确定異常的心髒組織，然後通過心髒消融手術來摧毀或隔離上述組織，進而幫助恢複心髒節律的正常。

而此前使用的傳統方法通常涉及到導管技術，其中導管上的電極可被用于定位異常的電活動源，以幫助恢複正常的心律。

這些導管電極由于空間分辨率極低，是以無法以高通量的方式，繪制心外膜的電生理狀态，特别是對于多點心外膜組織的異常定位存在很大挑戰。

而采用液固雙層可拉伸導體，則能做成心髒大小的電極陣列網，鋪在或套在心髒上進行全心髒的電生理監測，并且可以随着心髒跳動而發生适應性形變，助力于實作快速、高效、高分辨的定位異常組織。

“不能僅僅發現一些科學知識和工程知識”

那麼，陳書文和同僚啟動本次工作的背後有着怎樣的來龍去脈？據介紹，擔任本次論文一作的她剛來到該團隊時，根據課題組和自己的研究背景，将柔性可拉伸生物電子定位自己的研究方向。

此前，該團隊曾利用注射液态金屬進入導管，研發出一些精細的纖維傳感器。

是以，陳書文打算嘗試使用規模化列印的方式來制備一些生物電子。來新加坡之前，陳書文曾接觸過基于固态微納材料的可拉伸導體，深知其中存在的一些問題。

了解到液态金屬的流動性以及形變性之後，她認為液态金屬作為一種非常有前途的材料，或許可以解決這些問題。

剛開始在彈性基底上印刷油墨時頻出 Bug。新加坡的氣候濕度很高，油墨剛鋪到基底上還沒等形成完整的圖案，彈性體就析出了；要麼就是幹燥的圖案還沒拉伸或者輕微一拉就有出現很多裂紋。

于是，他們嘗試更換了許多種彈性體，不斷地調整油墨的比例，最終配置出一種能和水相對相容的油墨，并解決了容易出現開裂的問題。

但是，看似完美無瑕的印刷電路卻不導電。課題組先是用拉力去激活油墨，結果導電率依舊不高；後又用壓力激活，結果發現這種接觸會破壞電路圖案。

後來，他們又嘗試參雜少量的固态導電納米線，以求連接配接形成更廣泛的導電網絡進而提高導電效果，結果還是非常不理想。

再後來，他們又嘗試使用非接觸超聲應力來代替壓力或拉應力，但卻再次铩羽而歸。

後來，陳書文索性将樣品從粘性材料上撕下來後，結果發現電導率異常的高，上面還能形成一層閃閃發光的液态金屬膜。而且電路原有的圖案也沒有被破壞，這讓整個課題組十分驚喜。

通過力學分析他們發現這個剝離過程，可以很好地集合拉力和壓力。同時還不用接觸樣品，是以能夠極大程度地保持原有圖案。

此外，他們還發現這種液固雙層結構在和固态電子連接配接時，直接壓上去就可以形成很好的軟硬連接配接，哪怕受到刀口傷害也能自行愈合。

緊接着，陳書文和同僚開始不斷探索本次成果在傳感、人機互動、可穿戴等領域的用途。

最終，相關論文以《基于高度可拉伸雙層液态金屬導體的超高應變不敏感內建混合電子學》（Ultrahigh Strain‐Insensitive Integrated Hybrid Electronics Using Highly Stretchable Bilayer Liquid Metal Based Conductor）為題發在 Advanced Materials[1]。

陳書文是第一作者，東盟工程技術學院院士、新加坡工程學院院士、新加坡科學院院士、美國國家發明科學院院士、新加坡國立大學生物醫學工程系以及研究院院長林水德教授（Chwee Teck Lim）擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

“事實上，在所有工作快要結束時，林教授一直在問還有其他應用麼？他是一個工程出身的人，在他的帶領下我們課題組已經衍生很多初創公司。”陳書文說。

是以，林水德希望有一天他們也能将這項工作産業化，是以他一直在挖掘這項工作的潛在應用，并希望陳書文和同僚做出能影響千家萬戶的産品，最後服務于生物醫學和人類生活。

與此同時，陳書文也被這種精神深深感染，她也意識到自己的工作還沒做完，距離導師的期待還有一定距離。

即不能僅僅發現一些科學知識和工程知識，并在技術上得到驗證就完事。而是要把這些科學和技術轉化成真正有用的産品。

是以，接下來還要研發面向特定醫學應用場景的生物電子系統，并經過大量的動物實驗和臨床實驗驗證，最終得到終端使用者的認可，才算完成導師的心願。

是以，盡管本次論文已經發表，但是相關工作還在延續。“我相信終有一天我會完成他的心願，因為這個心願也早已在我心底生根發芽。”陳書文說。

圖 | 從左到右：林水德和陳書文（來源：資料圖）

“希望在暮年之時，能夠認可自己的一生”

另據悉，陳書文碩士畢業于北京納米能源與系統研究所，指導老師包括王中林院士和曹霞教授。博士則畢業于華中科技大學，導師是國家傑出青年科學基金獲得者周軍教授。

目前，她在新加坡國立大學醫療健康創新與科技研究院（iHealthtech）從事博後研究，師從前文的林水德教授。

陳書文表示，科研是一條艱辛的路，她很慶幸這一路遇到很多優秀的領路人。回首過往，一些教誨依然在耳邊回蕩：

比如王中林經常對她和同學講“科研有時是千裡走單騎，可能會很孤獨，但認定了就要堅持”；周軍曾告訴她和同學“做科研，不要做浪花一朵，要做就要做燈塔一樣的工作，要敢于啃硬骨頭”；林水德則經常向她和同僚囑咐“we need to do some impactful works, not just papers（我們要做有影響力的工作，而不僅僅是追求發論文）”。

陳書文說，她常想人生如蜉蝣，倏忽而逝，而自己要過什麼樣的一生，要做什麼樣的科研？她希望在暮年之時，能夠認可自己的一生，認可自己的事業。

她繼續說道：“導師們雖然性格迥異，但對我的影響是全方位的，有的老師教會我享受科研的孤獨與欣喜，有的老師教會我堅持興趣和探索未知，有的老師教會我重視技術和産業轉化。至今，我距離他們的期待依然很遠，希望在未來的科研路上，我能夠帶着他們的教誨不斷拾取智慧，做出更有影響力并造福中國乃至全人類的工作。”

同時，她也将繼續堅持本心，做有價值、有意義的科研，一步一個腳印拓展科學認知和技術積累。通過在柔性生物電子領域的創新，去服務人類健康和智能生活。”

參考資料：

1.Chen, S., Fan, S., Qi, J., Xiong, Z., Qiao, Z., Wu, Z., ... & Lim, C. T. (2023). Ultrahigh Strain‐Insensitive Integrated Hybrid Electronics Using Highly Stretchable Bilayer Liquid Metal Based Conductor. Advanced Materials, 35(5), 2208569.