特殊结构“稳住”液态金属给小动物来一次心电检测_科技前沿

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在该结构下，电子器件具有高达400%的拉伸应变能力，而且在实验动物牛蛙和家兔的体内，展现了稳定可靠的生物电信号检测能力，拓展了液态金属在可拉伸植入电子器件的应用范围。

说起金属，一股坚硬、冰冷、锐利的气息扑面而来，但自然界的金属并非都那么“冷酷无情”。

液态金属，是一种在室温下呈现液态的不定形金属，例如汞、铷、铯、镓等。它们柔软、可塑，同时具有较高的电导率，因此可以被加工成柔性电子材料，变身为电子皮肤、可穿戴健康监测设备、软体机器人等传感器件，监测生命体征，进行人机交互……

较为柔软的先天优势，使得液态金属容易被弯曲、拉伸、塑性，但作为植入器件，它们也存在稳定性差、加工困难等特点。

近期，刊发于国际学术期刊《科学·进展》的最新研究，为液态金属在生物体内检测的应用，打开了一扇窗。在这篇文章中，南京大学现代工程与应用科学学院教授孔德圣带领团队通过特殊的结构设计，让液态金属在可植入电子器件中长期稳定工作。在该结构下，电子器件具有高达400%的拉伸应变能力，而且在实验动物牛蛙和家兔的体内，展现了稳定可靠的生物电信号检测能力，拓展了液态金属在可拉伸植入电子方面的应用范围。

可拉伸电子器件的理想导体选择

在元素周期表的118个元素中，金属高达96种。在如此多的金属中，有几种零星的金属在常温下处于液态，如镓、铷、铯、汞、钫。

在这5种金属中，汞最为人所知，其最典型的应用是体温计、血压计、电极、旋转镜面天文望远镜、日光灯等，但由于汞在常温下极易弥散出剧毒性蒸气，致使其制作和使用存在风险，因而在日常生活中正逐步被禁用。

而铷、铯、钫具有放射性，三者与钠钾合金的化学性质一样，都很活泼，易于与水甚至冰发生剧烈反应，迅速释放热量从而产生爆炸，因而只能用在特殊场合。

“镓的生物安全性和综合优势都是罕见的，许多关于液态金属的研究与应用正是从镓开始的。”论文的共同通讯作者孔德圣告诉科技日报记者，镓的熔点约为30℃，在室温下处于熔融态，像水一样具有流动性，而且反复变形也不会有损伤，同时具有金属材料的高导电率，这让它成为可拉伸电子器件和系统的理想选择。

当前明星般存在的液态金属镓，虽然早在100多年前就被发现，但长期未被重视。此前镓主要以化合物形式得到应用，如氮化镓、砷化镓、磷化镓等均是经典的半导体材料，镓真正的普及化应用和研究直到近20年来才开始。

“目前常见的两种镓基液态金属是镓铟合金和镓铟锡合金，前者的镓和铟按照3∶1的质量比形成合金，其熔点可降低为15.7℃，后者的镓、铟、锡按照68%、22%、10%的质量比形成合金，其熔点可降至0℃以下。不过，镓基液态金属的熔点可以通过改变合金含量来调整。”孔德圣介绍，镓基液态金属不仅可以单独作为导电聚合物复合材料的导电填料，还可以作为改进导电填料的添加剂，使得导电聚合物复合材料的柔性、耐腐蚀和耐热等性能得到改善。镓基液态金属作为导电填料时，还会大大增加整体结构的柔韧性、柔软性和拉伸极限。

给合金穿上“外衣”抵抗腐蚀

此次研究中团队使用的镓铟合金，配比为75.5∶24.5，熔点温度接近16℃，这意味着，在16℃以上的温度里，镓铟合金为液态。

柔软、形态可塑、高导电率让镓基液态金属成为柔性电子材料的宠儿，却不能避免这些特性带来的先天不足。

“镓基液态金属能否在体内的植入设备中使用，特别是能否被加工成高精度的图案化的电极，是近年来的研究热点。”孔德圣介绍，熔融后的镓基液态金属像水一样柔软、无形，所以想将它们固定成一块传感器件，就需要精密加工的助力。

除了塑性，抗腐蚀也是镓基液态金属作为体内植入设备必须具备的“基本素养”。

“生物体体液里有大量盐分，金属长期浸润在里面，会被腐蚀，从而降低器件的稳定性，我们在一些早期测试里曾发现，如果镓铟合金直接与生物体接触，几小时后，金属表面就会失去光泽、变色，电阻也会上升。”

如何既保留镓铟合金的柔软、高导电特性，又能让它们在生物体内指哪打哪、结实耐用，是

学者们面临的普遍挑战。

经历长达两年的时间，孔德圣团队终于摸索出一套解决方案。

记者看到，在他们设计的镓铟合金传感器电极阵列中，一根根“电线”平行笔直地排列，这是一条条“穿”了一层橡胶材料的镓铟合金，“用橡胶包裹镓铟合金，就像往暖水袋里灌水一样，既能保持合金塑性，又能让它们抵抗生物体体液的腐蚀。”孔德圣说。

在一排排线路的终点，是一个圆形电极，电极的“内芯”是裸漏出来的镓铟合金，上面覆盖了一层碳纳米管复合材料。电极的表面则涂上一层微裂纹状的导电聚合物。

“导电聚合物可以降低电极界面阻抗，让电极与生物组织直接接触、收集信号，再经由镓铟合金电路直接传输到监测设备上。”孔德圣解读，为了让镓铟合金从橡胶“外套”中暴露出来，要用激光在精细的电路上钻孔，这对加工工艺的精细化要求很高。