柔性可拉伸電子器件是指可通過自身變形而適應復雜外形并實現傳感、供能、通訊等功能的電子元件，在健康管理、智慧醫療、人機交互等領域具有顯著的潛力，備受科學界和工業界關注。通常，電學活性材料需要被封裝起來以隔絕空氣中水、氧等物質的影響，從而使得電子器件具有高穩定性和長壽命。對于柔性可拉伸電子器件，如何選擇合適的材料進行封裝仍是一個重要的挑戰，目前仍缺乏理想的兼具優異可拉伸性能和密封性能的封裝材料[1,2]。

具體而言，雖然硅膠彈性體等高分子材料具有高的自由體積和強的分子鏈運動能力，但這也使得氣體能夠輕易地穿過它們。因此，易于拉伸且楊氏模量較低的材料通常具有較高的氣體滲透率[3,4]。相反，鋁和鋼等金屬材料具有優異的隔水隔氧能力，在食品工業中被廣泛應用于封裝和儲藏食品（例如常見的食品罐頭和薯片袋的包裝襯里），但其通常是不可拉伸的。為了對可拉伸電子器件進行封裝，目前常見的方法是將高分子彈性體與金屬材料或無機非金屬材料等氣體滲透性較低的材料相結合，但利用這種方法所得的材料通常可拉伸能力有限或者隔水隔氧性能不佳。

近日，上海交通大學鄧濤-尚文團隊與北卡羅來納州立大學Michael D. Dickey課題組、A123系統公司研發中心王浚團隊聯合報道了液態金屬基可拉伸封裝材料。液態金屬(liquid metal，LM)是指在室溫或者較低的溫度下呈液態的金屬材料，同時具有金屬與流體的特點，因此其兼具金屬材料出色的隔水隔氧能力和遠低于普通彈性體的楊氏模量，從而具有作為可拉伸密封材料的潛力(圖1(a))。該團隊設計制備了一種由微米玻璃球陣列支撐的液態金屬柔性密封材料，首次展示了液態金屬在可拉伸封裝材料方面的出色性能。相關研究成果發表于Science[5]。

圖1??液態金屬的楊氏模量、隔水隔氧性能以及在密封鋰離子電池方面的性能展示[5]. (a) 液態金屬、高分子彈性體和金屬的機械性能和密封性能的示意圖；(b) 各種可拉伸材料的楊氏模量與水汽滲透系數對照圖；(c) 各種可拉伸材料的楊氏模量與氧氣滲透系數對照圖；具有液態金屬密封件的鋰離子電池的設計示意圖(d)、在24 h觀測期間內的質量變化(e)、在0.6 mA/cm2電流密度和室溫下的循環性能(f)

以熔點在室溫附近的鎵銦合金(EGaIn)為例，該工作首先評估了液態金屬的氣密性。實驗結果表明，EGaIn的水汽滲透系數和氧氣滲透系數分別為9.6×10?21和5.0×10?23m2s?1Pa?1，其透水透氧能力比傳統的彈性體封裝材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)分別低了約4和8個數量級。EGaIn的氧氣滲透系數接近常見的金屬封裝材料鋁，而其水汽滲透系數則略高于鋁（偏差可能源于儀器檢測能力）(圖1(b), (c))。總的來說，EGaIn的氣密性遠優于高分子封裝材料，可與傳統金屬材料相媲美。

該工作展示了液態金屬材料在密封可拉伸鋰離子電池(lithium-ion battery，LIB)、相變傳熱裝置以及無線通訊器件方面的出色性能。研究結果表明，與只具有PDMS薄片封裝的對照樣品相比，具有液態金屬密封的含有水基電解質的LIB不但能夠保證在原始狀態和20%應變狀態下的質量不受損失(圖1(d)，(e))，還有利于延長電池在室溫下的循環壽命。利用EGaIn進行封裝的LIB在經歷140次循環后仍然保持約90%的可逆容量，即使經歷500次循環其依然具有約72.5%的可逆容量。作者指出，LIB容量的下降主要是源于充放電循環過程中不可避免的副反應，并不是因為在測試過程中LIB中的氣體與環境中的氣體通過液態金屬密封層產生了交換。相反，沒有利用液態金屬封裝的樣品則由于水透過PDMS向外滲透和氧向內滲透而在經歷160次循環后完全失效(圖1(f))。此外，液態金屬密封件還可以應用于可拉伸相變傳熱裝置中，從而解決了由于非冷凝氣體向內滲透和工作流體的氣體向外滲透而導致的傳熱裝置在使用過程中導熱系數降低的問題。以乙醇為工作介質設計了可拉伸氣液相變傳熱器件，該裝置被EGaIn封裝后在應變和加熱時也能很好工作。最后，作者還針對液態金屬自身具有電磁屏蔽的特性，提出了利用分隔式結構設計可無線通信的柔性封裝系統，從而進一步展示了液態金屬在無線通信系統封裝領域中的應用前景。

總之，該工作針對傳統封裝材料無法兼顧高可拉伸和高密封性的難題，創新性地提出了利用液態金屬作為可拉伸電子器件封裝材料的思路。一方面，這項工作為設計具有高穩定性、長壽命的新型柔性可穿戴器件提供了新的思路；另一方面，也啟示了進一步結合液態金屬的電學、熱學、化學等特性設計新型柔性可穿戴電子器件和系統的可能。
責任編輯：彭菁