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。

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