《Advanced Science》：Printable Liquid Metal-Textiles for Deformation-Insensitive and Electromagnetically Robust mmWave Devices
编辑推荐：
为解决可穿戴毫米波设备在变形下性能衰减的瓶颈，本研究开发了一种基于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的液态金属(LM)纳米液滴和“双掩膜”印刷技术的高性能电子纺织品(E-textiles)。所制备的LM-textile天线阵列在26 GHz频率下，经反复弯折后仍能保持9.65 dBi的增益，实现了4.5米范围内高清图像的稳定无线传输，为下一代柔性、耐用的体域网(BAN)设备提供了有前景的平台。
下一代无线通信的浪潮正涌向我们的身体。体域网(Body Area Networks, BANs)作为连接人体与外界环境的智能平台，有望实现非接触式人机交互、无创健康监测和触觉通信。然而，要支撑这些高带宽、高数据率的应用，特别是高清视频、实时生理数据传输，传统的无线频段已显拥挤。毫米波(millimeter-wave, mmWave)技术因其广阔的带宽和极高的数据速率，被视为开启未来可穿戴通信大门的钥匙。但要将这枚“钥匙”真正缝进衣物，却面临一个棘手的矛盾：人体在不停运动，衣物需随之弯曲、拉伸，而工作在极高频率（如26 GHz）的毫米波器件，其电磁性能对导电路径的哪怕微小变化都异常敏感。传统的刚性导电材料（如金属线、银浆）在反复变形下容易开裂、剥离，导致信号衰减、传输中断。那么，能否创造出一种像布料一样柔软，又能像金属一样稳定导电，并且不怕弯折的新型电子材料呢？
近日，一项发表于《Advanced Science》的研究给出了肯定的答案。研究人员独辟蹊径，将目光投向了具有“自我修复”能力的液态金属(Liquid Metal, LM)。他们巧妙地设计了一种特殊的液态金属“墨水”，并结合创新的“双掩膜”印刷工艺，成功在普通纺织品上制造出了高性能、耐变形的毫米波电子器件，为实现真正可靠、舒适的可穿戴无线通信系统铺平了道路。
为开展这项研究，作者主要运用了以下几项关键技术：首先，通过高强度探头超声和表面改性，制备了由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定、分散的功能化液态金属纳米液滴墨水。其次，开发了一种结合镂空印刷与丝网印刷优势的“双掩膜”高精度印刷技术，用于在纺织品上制造精细电路图案。再者，利用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和能量色散X-ray光谱(EDS)等手段，系统表征了材料形貌、元素分布及界面相互作用。最后，通过矢量网络分析仪、微波暗室和通用软件无线电外设系统，全面评估了所制备的微带传输线和毫米波天线阵列的电磁性能、机械可靠性及实际无线通信能力。
研究成果
2.1 LM-Textile的设计与制备
研究人员首先通过“自上而下”的超声破碎法，将大块镓基液态金属分散成纳米液滴，并利用PVP进行表面改性。PVP长链在纳米液滴表面形成稳定的包覆层，显著改善了其与纺织品基底的界面相容性和可印刷性。他们创新地提出“双掩膜”印刷法：第一层是激光雕刻的热释放胶带镂空掩模，用于定义印刷区域；第二层是丝网印刷掩模，用于精确控制功能化液态金属纳米液滴的沉积。这种方法成功实现了平均线宽约150微米的高精度图案。所制备的液态金属-纺织品展现出优异的导电性，平均方块电阻低至11.16 mΩ/sq。更重要的是，由于液态金属固有的流动性和表面Ga2O3氧化层在应力下的破裂-再生机制，该材料具有内在的自愈合能力，使其在反复弯曲变形下仍能重建导电路径，保持稳定的导电性能。
2.2 液态金属纳米液滴与纺织品的相互作用
通过细致的材料表征，研究发现PVP的引入极大地优化了液态金属纳米液滴的性能。PVP分子中的极性基团与液态金属纳米液滴表面氧化镓层中的Ga(III)形成配位键，从而形成稳定的包覆。高分辨电镜显示，功能化的纳米液滴呈规则球形，表面光滑，平均直径约78.18纳米。这种改性显著降低了液态金属在纺织品上的接触角（从约126.7°降至39.8°），增强了附着力。流变学测试表明，功能化液态金属墨水具有典型的剪切变稀行为和良好的触变性，非常适合丝网印刷工艺，能够实现复杂图案的高精度成型。
2.3 高性能与电磁鲁棒的液态金属-纺织品毫米波器件
基于上述高性能材料，研究团队成功制造了微带传输线和2×2毫米波天线阵列等关键器件。在机械可靠性测试中，液态金属-纺织品在经历上万次弯曲和扭转循环后，电阻变化可忽略不计；而作为对比的商业银浆-纺织品则因导电路径不可逆断裂而性能严重劣化。
在电磁性能方面，所制备的液态金属-纺织品微带传输线在2.45 GHz频段显示出低至0.735 dB的插入损耗，与基于传统金属材料的传输线性能相当。在关键的毫米波频段（24.5 GHz），即使经过1000次弯曲循环，其衰减常数也几乎保持不变。相比之下，基于印刷银浆和金属化织物的传输线在同样条件下衰减急剧增加。更重要的是，工作于26 GHz的2×2液态金属-纺织品天线阵列实现了10.67 dBi的最大实现增益，并且在反复弯曲后仍能保持9.65 dBi的高增益和良好的阻抗匹配。在实际无线通信测试中，该天线阵列能在4.5米距离上稳定传输高清图像，而对比的银浆天线阵列在变形后通信距离大幅缩短。研究还通过聚二甲基硅氧烷封装提升了器件的环境稳定性，使其能够耐受多次水洗和摩擦。
结论与意义
本研究成功展示了一种利用可印刷、自愈合的液态金属-纺织品构建高性能、变形不敏感毫米波器件的新策略。通过材料创新（PVP稳定的功能化液态金属纳米液滴）与工艺创新（“双掩膜”印刷技术）的结合，攻克了液态金属与纺织品界面相容性差、难以高精度图案化的难题。所制备的器件在保持优异电磁性能（低金属损耗、高辐射效率）的同时，展现了卓越的机械鲁棒性和耐久性，即使经受反复弯折、拉伸，其信号传输能力也基本不受影响。
这项工作的意义在于，它将液态金属的独特优势（导电性、流动性、自愈合性）与纺织品的天然属性（柔性、透气性、可穿戴性）深度融合，为毫米波技术在可穿戴领域的实际应用提供了一个切实可行的材料与器件平台。它解决了高性能与高可靠性在柔性毫米波电子中的兼容难题，不仅为下一代体域网、智能服装、柔性人机交互界面指明了新的发展方向，也为高频、高性能柔性电子系统的设计提供了普适性的材料和制造思路。随着5G/6G通信向更高频段演进，此类兼具电磁鲁棒性与机械耐久性的可穿戴器件，将成为连接物理世界、数字世界与人体生命世界的核心技术纽带。
