科学网—朱美芳院士/潘绍武研究员等:MXene组装的液态金属杂化微颗粒赋能多功能可拉伸印刷电子
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2026-4-23 14:47
| 系统分类: 论文交流
MXene‑Assembled Liquid Metal Hybrid Microparticles for Multifunctional and Stretchable Printed Electronics
Rouhui Yu, Jiexin Qiu, Hui Zhu, Xiangheng Du, Jiale Sun, Zishuo Zhang, Long Chen, Zhongyao Fan, Huifang Chen, Meifang Zhu, Shaowu Pan*
Nano-Micro Letters (2026)18: 314
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02154-3
本文亮点
1. 提出了一种新型的杂化微颗粒：本文将MXene纳米片与液态金属颗粒结合，利用Ga–O–Ti配位键实现稳定组装，成功构建了MXene组装的液态金属杂化微颗粒。
2. 兼具优异的可加工性与高导电性：杂化微颗粒能够通过印刷技术图案化到多种柔性基底表面，表现出良好的加工适应性。同时，其激活后电导率可达到3.7 × 10⁵ S m⁻1。
3. 赋能柔性印刷电子的多功能集成应用：成功应用于无线能量传输、储能、交互显示系统等，展现出优异的多功能集成特性。
研究背景
从“能弯折”到“能拉伸”，柔性电子正在迈向更高水平的功能集成。无论是软体机器人、可穿戴设备，还是柔性显示与能量器件，都对功能导电材料提出了更高要求：不仅要具备优异的导电性能和稳定的拉伸适应能力，还要能够满足印刷制造、精准图案化和复杂器件集成的需求。如何实现功能材料在高导电、可拉伸、可印刷与多功能集成之间的协同统一，正成为可拉伸印刷电子领域持续突破的重要方向 。
内容简介
瞄准可拉伸印刷电子中对导电功能材料的应用需 求， 东华大学朱美芳院士、潘绍武研究员 开发了一种MXene–液态金属杂化微颗粒。 该材料不仅可作为多种电子器件的导电功能平台，还可用作可拉伸储能器件的电化学电极。这种多功能性来源于其独特的结构：MXene纳米片通过配位相互作用自组装在液态金属微粒(LMPs)周围，并在印刷图案中形成相互连接的杂化网络。得益于这一结构，杂化微颗粒在仅2.5%的应变下即可实现导电激活，表现出高达3.7 × 10⁵ S m⁻1的高电导率和约700%的优异拉伸性。基于此，杂化微颗粒在可拉伸天线、微型超级电容器、 电致发光器件 和柔性印刷电路板等多种柔性印刷电子中展现出良好的应用潜力，可实现无线能量传输、能量存储以及可拉伸和交互式显示等功能，为可拉伸与集成电子系统的发展提供了新的多功能材料平台。
图文导读
I MXene组装的液态金属杂化微颗粒赋能柔性印刷电子
如图1所示，将LMPs和MXenes分散于含HPU的乙醇/水溶液中，可制得兼具粘弹性和剪切稀化特性的杂化微颗粒墨水，实现多种基底上的3D打印与模板印刷。MXene的组装不仅增强了材料的电化学性能和界面附着力，还通过桥接液态金属颗粒赋予印刷图案低应变激活导电特性，从而赋能多功能柔性印刷电子器件。
图1. MXene组装的液态金属杂化微颗粒的设计思路。
II 微颗粒的杂化机制及图案化能力分析
与纯LMPs相比，HPU的引入并未明显改变Ga 3d峰的位置和宽度，说明Ga与HPU之间不存在显著化学相互作用。相比之下， LMP /MXene/HPU复合材料在25.3 eV处出现了额外的Ga–O峰，而这一特征在原始LMPs和LMPs/HPU中均未观察到，表明MXene的引入促使形成了Ga–O–Ti桥接结构，说明LMPs与MXene纳米片之间存在较强的界面相互作用。基于该杂化微颗粒构筑的墨水呈现出典型的剪切稀化行为，表现出良好的图案化加工能力。例如，该墨水可通过模板印刷将二维码图案成功构筑于玻璃、可拉伸 TPU薄膜 、柔性PET以及氨基功能化PDMS薄膜等多种基底表面(图2)。
图 2. 相互作用及图案化能力分析 。
III 杂化微颗粒的应变激活特性
在印刷的杂化微颗粒中，LMPs在MXene纳米片的包裹和桥接作用下形成连续交联网络，这是 实现低应变导 电激活的关键(图3)。拉伸前，液态金属核被绝缘氧化壳层包覆，导电主要依赖MXene网络；施加应变后，在强界面相互作用促进的应力传递作用下，Ga₂O₃壳层发生破裂，液态金属核心释放并逐步贯通，最终形成高导电通路。
图3. 杂化微颗粒的应变激活机制。
杂化微颗粒在激活前后表现出显著的导电性能提升(图4)：其电导率由激活前的1.0 S m⁻1跃升至激活后的3.7 × 10⁵ S m⁻1，提升达5个数量级，并且仅需约2.5%的低应变即可实现导电激活，明显优于以往聚合物改性LMPs体系。这一优异表现主要归因于MXene纳米片在颗粒间构建了高效的应力传递网络。激活后，材料在高达700%应变下仍保持低电阻，并且激活后表现出良好的电学均一性；同时，其电性能在0–100%应变下1000次循环拉伸后均无明显衰减，展现出优异的拉伸性能、稳定性和应用可靠性。
图 4. 杂化微颗粒应变激活的电学性质 。
IV 杂化微颗粒的多功能应用
杂化微颗粒兼具高导电性、高电化学活性与优异机械可拉伸性，在柔性能量存储与发光器件中具有良好应用潜力(图5)。基于杂化微颗粒电极构建的全固态可拉伸微型超级电容器在导电激活后表现出显著提升的储能性能，面积电容达到1.71 mF cm⁻2，较纯LM电极提高17倍，并在50%拉伸应变下仍保持94.7%的电容保持率，经过5000次充放电循环后仍保留84.1%的初始电容，体现出良好的拉伸适应性和循环稳定性。此外，杂化微颗粒还可作为功能电极应用于可拉伸交流电致发光器件，通过3D打印制备的图案化电极能够实现稳定电致发光，并在20%单轴拉伸下保持正常工作，表明其在可拉伸储能器件与柔性光电系统中具有良好的多功能应用前景。
图 5. 基于杂化微颗粒的储能及发光应用。
杂化微颗粒可进一步应用于可拉伸无线能量传输与柔性电路集成(图6)。基于杂化微颗粒构建的接收线圈可在无线充电条件下稳定为微型LED供电。进一步地，凭借良好的可图案化和可拉伸特性，杂化微颗粒可作为柔性印刷电路板中的 可拉伸导体 ，与商用电子元件集成后可构建柔性印刷电路板。在此基础上，构建了可穿戴光敏交互显示电路，实现了基于环境光变化的非接触式交互显示系统，表明杂化微颗粒在智能可穿戴设备、柔性集成电路和交互式电子系统中具有广阔应用前景。
图 6. 基于杂化微颗粒的无线能量传输及可拉伸集成电路应用。
V 总结
本研究围绕多功能可拉伸印刷电子对功能导电材料的应用需求，发展了一种兼具高导电性、可拉伸性和电化学活性的杂化微颗粒材料，并验证了其在多种柔性电子器件中的应用。
(1)构建了MXene组装的液态金属杂化微颗粒
通过配位相互作用将MXene纳米片组装在液态金属微颗粒表面，成功构筑了兼具印刷适配性和界面稳定性的多功能杂化微颗粒材料体系。
(2)实现了低应变激活的高导电可拉伸导体，并兼具电化学活性
得益于MXene层与LMPs氧化壳之间的强界面结合，材料在形变过程中能够实现有效应力传递，在仅2.5%应变下即可触发导电通路形成，使印刷图案获得高达3.7 × 10⁵ S m⁻1的电导率和约700%的拉伸性。同时，杂化微颗粒结合了液态金属优异的导电性与MXene良好的电化学活性，实现了电学、力学与电化学性能的协同集成。
(3)验证了其在多种柔性印刷电子器件与集成系统中的应用
基于杂化微颗粒构建了 可拉伸天线 、电致发光器件、微型超级电容器及柔性印刷电路板，并进一步集成光敏电路实现非接触式交互显示，表明其在可穿戴设备、软体机器人和人机交互界面等下一代软电子领域具有广阔应用前景。
作者简介
潘绍武
本文通讯作者
东华大学 研究员
▍ 主要研究 领域
多功能纤维与电子织物，柔性智能材料与传感器，柔性生物电子器件。
▍ 主要研究成果
从事智能纤维与电子织物、柔性传感器及集成系统等方向研究，在Nat. Nanotechnol.、Natl. Sci. Rev.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文40余篇。主持国家优秀青年科学基金(海外)、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上/青年等项目。入选英国皇家化学会J.Mater. Chem.C杂志新锐科学家。担任Adv. Fiber Mater.期刊执行编辑。
▍ Email： pansw@dhu.edu.cn
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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