南京大学陆延青教授和孔德圣教授团队 Nano Lett.：基于银纳米线/液态金属超高拉伸电学自愈合导体

2023-12-09 来源：高分子科技

针对蓬勃发展柔性可拉伸电子的实际需求，可拉伸导体在近年来得到了广泛的研究，其中最常见的是基于导电纳米结构和弹性体的复合材料。虽然这类导体材料具有一定的机械拉伸性，但经过反复拉伸或剧烈的外力作用，复合导体容易产生微裂纹，从而导致电学性能不稳定甚至失效。受生物系统存在的自修复机制启发，液态金属微胶囊已经被用于电学自修复导体中，主要利用液态金属微胶囊的破碎来实现电学自愈合，但由于缺乏合适的材料结构设计，目前报道的相关文献很难同时实现超高拉伸低电阻变化和经过多次形变的电学愈合性能稳定。

针对以上问题，近日，南京大学陆延青教授和孔德圣教授团队报道了一种基于银纳米线和液态金属微胶囊的电学自修复导体，制备的导体具有较低的方阻（0.14 Ω/sq）, 在超大形变（单轴拉伸1000%和双轴拉伸800%）的作用下，依旧具有较低的电阻变化，并具有广域的电学自修复能力。该导体采用双层的结构设计，上层的银纳米线复合电极提供整个复合导体优异的初始导电性（图1d），下层为绝缘的液态金属微胶囊愈合层（图1e）。如图2a所示，由于液态金属微胶囊和银纳米线导电网络之间存在强烈的力学相互作用，当银纳米线网络产生裂纹时，被裂纹的尖端应力场会撕裂液态金属微胶囊，释放出液态金属修复了破碎的银纳米线导电网络，从图2b的光学照片可以清晰地看到在裂纹处释放出了大量的液态金属，连接了破碎的银纳米线网络，起到愈合的效果，从而使拉伸过程中电阻变化相对较小。并通过微观表征，可以看到在拉伸过程中，裂纹处释放的液态金属桥接了破碎的银纳米线网络，并且在回复过程中液态金属仍然位于裂纹处，而没有发生泄露的现象（图2e）。

图1. 自愈合导体的设计与制备

图2. 超高拉伸自愈合导体的愈合机理以及电学愈合性能

图3. 银纳米沉积量和不同拉伸幅度对自愈合导体的影响

图4. 基于自愈合导体在可穿戴多功能电子贴片的应用

图5. 自愈合导体的双轴拉伸电学愈合性能以及应用研究

综上所述，由于液态金属微胶囊表面钝化的氧化层会阻碍电子传输，需要在大形变或者遭受极端外力破坏才可以形成导电网络，而针对纯银纳米线复合电极，在拉伸过程中，由于银纳米线网络的碎裂从而使电阻急剧上升。为此，利用液态金属膜层上构筑银纳米线复合电极，由于两者具有强烈的力学耦合作用，在银纳米线网络产生微裂纹时，微裂纹的尖端应力场撕裂液态金属微胶囊，在裂纹处选择性的释放液态金属，桥接了破碎的银纳米线网络，起到了电学自愈合效果。这样的通用设计方法显著提高了导体的拉伸电学变化和愈合效果，在柔性可拉伸电子器件具有广阔的应用前景。
相关工作以“Ultrastretchable Electrically Self-Healing Conductors Based on Silver Nanowire/Liquid Metal Microcapsule Nanocomposites”为题发表在Nano Letters上，南京大学现代工程与应用科学学院博士生林勇为第一作者，通讯作者为陆延青教授和孔德圣教授。

原文链接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c03670

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（责任编辑：xu）

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