可拉伸电子纤维具有尺寸小、重量轻、集成能力强等特性，在构建高性能柔性电子器件方面极具潜力。然而，可拉伸电子纤维主要由透气性较差的弹性体薄膜等基体材料制备，这会极大阻碍纤维内部与外部环境之间的物质与能量交换，尤其在传感等方面的应用上，低透气性也会一定程度限制纤维的传感性能和功能集成。提升电子纤维器件的透气性、强化器件功能层间及与外部进行有效物质输运和能量交换，一直是高集成度、多功能纤维电子器件领域的重大挑战之一。

近日，之江实验室马志军研究员团队联合香港理工大学郑子剑教授、黄琪瑶助理教授团队在期刊《Advanced Functional Materials》上，发表了最新研究成果“Permeable and Patternable Super-Stretchable Liquid Metal Fiber for Constructing High-Integration-Density Multifunctional Electronic Fibers”。研究者通过模板诱导沉积静电纺丝和表面改性涂敷液态金属（LM）工艺，连续制备出多孔、高电导率、高拉伸性的可拉伸导电纤维LM-pSBS（多孔SBS纱线）。与之前报道的弹性体薄膜等基体材料制备的导电纤维相比，所得LM-pSBS导电纤维表现出更好的透气性和电学稳定性。

图1：可拉伸导电纤维LM-pSBS的制备和拉伸性能。

可拉伸导电纤维LM-pSBS的制备过程

1. 通过模板诱导沉积静电纺丝的方法制备了连续的pSBS纱线。

2. 经过对pSBS纱线浸渍涂覆聚丙烯酸（PAA）极大提高了其对LM的浸润性。

3、进一步通过简单的浸渍涂覆，在pSBS纱线表面均匀负载LM（图1），制备的导电纤维表现出高透气性（孔隙率~68%）、高拉伸性 （最大应变1700%）和高电学稳定性（1500%应变下电阻上升约1.5倍）的优势（图2）。

图2：可拉伸导电纤维LM-pSBS的微观结构和电学稳定性。

基于SBS原位静电纺丝和LM漏板印刷交替实施的策略，制备的高集成电子器件可利用高渗透性实现与外界环境的物质和能量快速交换。为验证概念，制造了集成发光、音频信号传输、汗液传感的多功能电子纤维器件（图3a）。得益于LM电路的高机电稳定性，外层LED阵列在高拉伸应变（300%）下，亮度没有明显下降(图3c-e)；中间层的印刷LM电路在300%应变下仍能很好保持音频信号的波形和强度(图3f-g)；最内层的汗液传感器利用纤维基体的高渗透性实现了汗液检测(图3h-i)。

图3：基于静电纺丝和液态金属印刷交替实施策略实现的多层结构纤维型可拉伸多功能电子器件。

研究人员进一步开发了集成压力传感和温度传感的“人工触觉神经”器件（如图4a所示）。传感性能表征表明，压力传感器具有 0.1 kPa-1 的灵敏度和 0–300 kPa 的动态范围，温度传感器的B值为1098 K  (B = ln(R1/R2)/(1/T1 - 1/T2))（图 4d-e）。对集成了人工触觉神经的交互手套进行了应用演示：触摸70°C烧杯会导致电容的周期性变化，并伴随着温度传感器阻值的明显波动，表明器件可同时检测手套与烧杯表面的接触压力和烧杯的温度；相比之下，触摸盛放温水的烧杯会导致压力引起的电容变化，而没有观察到电阻的变化（图4f-g）。

图4：集成触觉压力传感和温度传感的“人工神经元”器件。

这项工作突破了以往电子纤维透气性差和难以多功能集成的难题，实现了透气型多功能可拉伸电子纤维材料和器件的可控制备，展示了在智能可穿戴设备和人机交互等领域的潜在应用。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202308120

人物简介

郑子剑，香港理工大学讲座教授、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创刊主编。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、Science Advances、Nature Communications、Joule、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials 等高影响因子期刊发表论文200余篇；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，2022年荣获首届香港工程科技奖。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。

马志军，研究员、之江实验室类人感知中心PI、浙江大学材料学院博士生导师。长期从事功能纤维材料和器件方面的研究，尤其集中于功能纤维材料在人工肌肉和智能感知等方面的应用。在Nature Materials、Advanced Functional Materials等权威期刊发表SCI论文120余篇（其中一作/通讯40余篇），引用3600余次；申请发明专利14项（授权7项）；主持了国家自然科学基、广东省自然基金等8项纵向科研项目，参与了教育部创新团队、科技部创新团队等国家级和省部级重大科研项目。获得了“珠江科技新星”、“香江学者奖”等荣誉。

黄琪瑶，香港理工大学时装及纺织学院助理教授，2019年于香港理工大学获博士学位后，留校从事博士后研究，2020年入职纺织与制衣学系（现时装及纺织学院）聘为研究助理教授。主要从事纤维基导电材料及柔性电子器件相关的研究，研究方向集中于利用纤维材料与织物结构，并结合新型的材料制备工艺，实现柔性、可穿戴的纤维基传感器和能源存储器件等。迄今于Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy等期刊发表学术论文40余篇。主持国家青年科学基金、香港研资局优配研究金及杰出青年学者计划等项目，参与国家自然科学基金/香港研资局合作研究重点研究项目等。