Science Advances｜Phenom XL 原位拉伸SEM：揭秘超拉伸液态金属导体自适应导电机理
柔性电子技术正在推动下一代智能穿戴、人机交互、生物医疗传感等领域快速发展。然而，传统导电材料通常难以同时满足高导电性、高柔韧性以及长期稳定性的需求。
金属材料具有优异导电能力，但缺乏大尺度形变能力；聚合物基柔性导体虽然具有良好的柔韧性，却往往需要加入大量导电填料才能形成连续导电网络，同时会牺牲材料机械性能。
如何突破导电性能与力学性能之间的矛盾，成为柔性电子材料领域的重要挑战。
近日，研究团队在 Science Advances 发表研究论文，提出了一种贫溶剂诱导界面自组装策略（poor solvent–induced interfacial self-assembly），构建了一种兼具高导电性和超高拉伸性能的液态金属弹性导体（Liquid Metal Conductor, LM-C）。
该研究中，Phenom XL 大仓室智能化扫描电镜结合高精度原位拉伸平台，对材料在不同形变条件下的微观结构变化进行了实时观察，为揭示其优异性能背后的结构机制提供了关键证据。
01 [ 原文链接 ]
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee8109
02 [ 使用飞纳电镜型号 ]
Phenom XL 大仓室智能化扫描电镜
01.构建高性能液态金属弹性导体
传统液态金属复合导体通常通过增加液态金属填充比例提高导电性能，但大量液态金属容易导致材料机械性能下降，并可能在形变过程中出现泄漏问题。
本研究提出了一种新的结构设计策略：
通过向热塑性聚氨酯（TPU）体系中引入贫溶剂，使聚合物链发生聚集和褶皱化，并调控液态金属纳米颗粒（LM NPs）的沉积行为。
最终形成：
-
上层高韧性聚合物区域；
-
下层聚合物-液态金属互穿导电区域。
这种特殊的双区域结构，使液态金属既能够形成连续导电路径，又能够受到聚合物网络约束，从而避免泄漏并提升稳定性。
研究结果显示，该液态金属弹性导体在较低液态金属含量下，实现了优异综合性能：
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电导率达到 3.33 × 10⁶ S/m
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断裂应变超过 1400%
-
韧性超过 30 MPa
同时，该材料能够在拉伸、扭转等复杂形变条件下保持稳定工作，并可贴合人体皮肤构建柔性电子系统。
02.SEM 揭示液态金属聚合物互穿结构形成机制
为了验证材料内部结构，研究团队利用多种表征技术分析液态金属纳米颗粒与聚合物之间的空间关系。
其中：
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AFM 用于观察聚合物微结构变化；
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SEM 用于观察复合材料截面和表面形貌；
-
元素分析用于辅助确认液态金属分布。
SEM 结果显示：
液态金属纳米颗粒并非简单填充于聚合物内部，而是在聚合物骨架中形成连续互穿网络。
截面 SEM 图清晰展示：
-
聚合物区域提供机械支撑；
-
液态金属富集区域形成导电通道。
-
这种互穿结构是材料同时获得高导电性和高拉伸性能的关键。
03.Phenom XL 原位 SEM 捕捉材料拉伸过程中的动态变化
材料为什么能够承受超过 1400% 的拉伸？
关键在于其微观结构能够随着外力变化发生动态调整。
为了直接观察这一过程，研究人员采用Phenom XL 大仓室智能化扫描电镜，搭配高精度样品拉伸台开展原位 SEM 拉伸实验。
文献中明确指出：
“In situ SEM images were taken with a Phenom XL equipped with a high-precision sample stretching table.”
即利用 Phenom XL 在扫描电镜环境下同步完成样品拉伸和微观结构观察。
小应变阶段：保持完整导电网络（<100%）
在较低拉伸状态下：
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液态金属纳米颗粒发生形变；
-
聚合物网络保持完整；
-
导电路径基本不受影响。
液态金属颗粒表面的氧化层能够通过结构调整缓解外部应力，使材料保持稳定导电。
高应变阶段：裂纹释放应力，液态金属维持导电
随着拉伸增加，聚合物网络逐渐出现局部裂纹。这些裂纹并不会导致材料立即失效，而是成为应力释放区域：
-
降低局部应力集中；
-
为液态金属流动提供空间；
-
维持连续导电路径。
Phenom XL 原位 SEM 图像直观展示了这一动态过程。
极限拉伸阶段：液态金属保持连接
当材料达到极高形变量时：
-
聚合物承担主要机械载荷；
-
液态金属依靠自身流动性维持电连接；
-
导电性能保持稳定。
这一动态演变机制解释了该材料超高拉伸性能的来源。
通过 Phenom XL 原位 SEM 动态观察，研究人员直观揭示了该材料“结构自适应”的导电保持机制。
04.高稳定性液态金属导体推动柔性电子应用
凭借优异的机械和电学稳定性，该液态金属弹性导体能够承受：
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5000次循环拉伸；
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1200次高应变循环；
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超过20000次压力循环。
研究团队进一步利用该材料构建了多种柔性电子器件，包括：
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可拉伸 LED 电路；
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无线供电系统；
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NFC 柔性器件；
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RFID 温度监测标签。
这些器件能够贴合人体皮肤，在运动状态下持续完成温度和运动信息采集，展示了其在智能穿戴和健康监测领域的应用潜力。
05.Phenom XL 助力先进材料动态机理研究
传统扫描电镜主要用于材料静态形貌观察，而飞纳原位扫描电镜技术进一步拓展了扫描电镜在功能材料研究中的应用边界。
本研究中，Phenom XL 大仓室智能化扫描电镜结合原位拉伸平台，实现了微观结构实时观察：
Phenom XL 大仓室设计结合原位拉伸平台，为柔性薄膜、复合材料以及功能器件等样品提供了更加开放的原位实验条件。
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