第一作者：李小庆

通讯作者：国瑞研究员，刘静研究员

通讯单位：中国科学院理化技术研究所低温科学与技术国家重点实验室、天津大学精密仪器与光电子工程学院、清华大学医学院生物医学工程系

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柔性电子是可穿戴设备、智能传感等领域的核心支撑技术，近年来发展迅猛。液态金属图案化工艺凭借优异导电性、流动性及柔性基底兼容性，成为柔性电子制造的关键技术，其性能直接影响器件集成密度、稳定性、成本及规模化应用。然而，当前主流方法仍面临技术瓶颈：1）依赖定制模板或精密微加工，流程复杂且成本较高；2）减材工艺存在材料损耗，增加成本并可能引发环境风险；3）对基底材料要求苛刻，普适性不足，限制器件多样化设计与功能拓展。针对上述技术瓶颈，本研究提出一种基于选择性调控界面黏附机制的创新性无损刻蚀技术。该技术在乙醇环境中弱化液态金属与基底的界面粘附作用，通过针尖精准施加局部机械力，使目标区域液态金属脱落后被挤压至针尖划设的沟道两侧，实现液态金属的无残留剥离，同时完整保留基底的力学与化学性能。该方法首次实现了无损刻蚀、高精度图案化、多基底适配、可拉伸兼容、材料可回收及器件可重复使用六大核心优势的协同集成，为柔性电子的高性能、低成本、绿色化制造提供了新路径。

背景介绍

镓基室温液态金属凭借室温下优异的高流动性、高导电性及良好生物安全性，已成为柔性电子领域的研究焦点，在可穿戴设备、生物医学传感器等场景中展现出广阔应用前景。当前液态金属柔性电路的制备工艺以增材制造与减材制造为两大技术路径。增材制造工艺以液态金属为导电墨水，通过直接打印或印刷方式实现材料在柔性及三维基材上的有序堆积，工艺路线相对简捷，主流技术涵盖直写式打印、微流道灌注、软印章转印及丝网印刷等。但该类技术对微管操控精度、微流道加工精度及定制化模板依赖性强，需匹配严苛的操作环境与昂贵的专用设备，导致制造成本显著攀升、生产周期延长，制约了产业化转化进程。减材制造工艺则基于液态金属与固态金属的接触润湿原理，通过在柔性基底刻蚀金属线路，经酸性溶液去除金属表面氧化层后，使液态金属与固态金属直接接触实现电路成型，代表性技术包括离子束刻蚀、化学刻蚀及激光雕刻等。然而，该类工艺同样存在固有瓶颈：特殊耗材与精密设备推高了制造成本，图案化、剥离等多步骤流程增加了工艺复杂性，且刻蚀废料若处理不当易引发环境风险。更为关键的是，两类主流工艺均受限于基底界面特性，普遍缺乏跨材料体系的普适性。因此，开发兼具低成本、高精度与强普适性的液态金属图案化新技术，对推动柔性电子产业化应用具有重要意义。

研究出发点

1）本研究通过实验测试与多物理场仿真相结合的方法，系统探究有机溶剂与机械力对液态金属-基底界面粘附性的调控机制，通过接触角测量和斜面实验重点研究典型有机溶剂对多种基底的浸润性影响，建立界面粘附调控的力学模型。

2）在界面调控机制研究的基础上，聚焦无损耗刻蚀技术的工程化实现，通过实验与模型分析优化针尖材质、尺寸等核心参数，设计搭建集成机电系统的二维移动平台，实现多基底上电学性能稳定的液态金属电路自动化制备。

3）为验证无损刻蚀图案化技术实用价值，设计制造柔性可拉伸电极阵列及配套信号系统，评估其在体表与体内生理电信号长时间检测中的实际性能。

图文解析

本研究通过15 wt%镀银铜颗粒掺杂液态金属制备出适用于刷涂的半液态金属，开发的无损刻蚀电路图案化技术（NECP）技术以针尖与乙醇协同调控界面粘附性实现电路图案化，其原理为针尖机械力破坏半液态金属氧化膜（主成分为氧化镓、氧化铟）与基底的氢键连接使金属脱离，乙醇则凭借优异润湿性形成隔离层阻止金属回流与再粘附，该过程无材料损耗且可制备分辨率低至5μm的导线阵列；此技术兼具成本低、工艺简便、可大面积印刷、适配VHB胶带、PDMS等多种基底、高拉伸性及半液态金属近乎完全回收等优势，能满足微米至分米级多尺度电路制备需求，通过制造成本等六维度对比凸显其相较于传统方法的突破，在柔性电子器件制造中适应性极强，可降低应用成本并减少资源浪费与环境污染。

图1. 无损刻蚀图案化技术的原理与优势

为进一步阐明半液态金属与基底的界面粘附性调控机制，本研究通过系列实验展开系统探究。接触角测试结果表明，乙醇对液态金属及多种柔性基底的润湿性显著优于水；且相较于空气环境，液态金属在乙醇体系中与基底的接触角显著增大，界面粘附力同步弱化。斜面实验进一步证实，乙醇可有效降低液态金属与基底间的粘附稳定性。在刻蚀过程中，针尖施加的机械力可直接促使半液态金属从基底表面脱离。尤为关键的是，乙醇环境不仅能阻止脱离的半液态金属回流至刻蚀划痕内，从而避免金属残留及电路短路等问题，还可引导半液态金属向划痕两侧流动并增厚，通过增大导线横截面积提升其导电性能。

图2. 半液态金属与基底界面粘附性的调控机制

该技术采用自组装两轴移动平台，将涂覆半液态金属的基底浸入乙醇中，通过精准操控针尖刻蚀实现图案化，可制备复杂图案电路，并且在分辨率与导电性平衡上优于传统方法。所制备的不同宽度导线横截面呈均匀拱形，工艺稳定性良好，线宽超100μm时电阻差值≤0.5Ω/mm，性能一致性优异。力学测试表明，VHB基底上导线可拉伸至 1000%，经 10,000 次循环拉伸无电学失效；PI基底上导线90°弯曲及10,000次弯曲循环后电阻增幅极小，机电响应稳定。

图3.基于无损刻蚀图案化技术的半液态金属导线电学性能表征

在制造与性能优化层面，该技术借助两轴移动平台实现复杂电路的高精度制备，通过调整针尖运动轨迹可精准优化半液态金属分布，其制备的导线在尺寸缩减过程中，电阻稳定性显著优于传统铜片。在资源利用效率层面，NECP技术支持电路的无损耗擦除与重复使用，经50次重复刻蚀仍无材料损耗；同时可通过NaOH或HCl溶液实现半液态金属高效回收，单次回收的材料损耗仅为2.67%-3.35%，大幅降低资源浪费与成本。在应用适配性层面，该技术展现出极强的基底兼容性，可在PDMS、玻璃等光滑基底及纸张、猪皮等粗糙基底在内的8种不同类型基底上制备图案，兼顾刚性与柔性材料适配需求。

图4. 无损刻蚀图案化技术的无损性、可回收性、可重复使用性及多基底适用性表征

为解决二维NECP技术在三维曲面电子制备中存在的乙醇浸泡、运动控制及结构稳定性问题，本研究通过三项改进开发出专用技术：以填充乙醇的马克笔笔替代金属针尖、采用五轴移动平台实现精准控制、将半液态金属固态颗粒掺杂比例调至 20% 以降低流动性。改进后的技术操作简便、通用性强，可在球形、辣椒、鸡蛋等复杂形状及多种材质表面共形制备电路，且器件能长期保持结构稳定。该技术在航空航天领域可制备高效共形防冰系统，在智能家居领域能实现电路与家居用品的无缝集成，无需复杂预处理即可适配多种基底，为三维曲面电子器件的低成本、高精度制造提供了创新方案，应用前景广阔。

图5.适用于三维曲面电子器件的改进型无损刻蚀图案化技术

NECP技术可依据实际需求定制电极的尺寸与构型，其在PU膜上制备的半液态金属电极，已成功构建起ECG与EMG电生理信号监测系统。在ECG监测中，该电极能清晰捕获含P波、QRS波群等特征的完整波形，信号精度媲美传统Ag/AgCl电极，且60分钟动态监测过程中性能稳定，基线漂移与外界干扰极小；在EMG监测中，电极凭借半液态金属的特性实现与皮肤的共形贴合，即便皮肤受摩擦、拉伸仍稳定附着，可精准传感多种手势的高保真肌电信号。值得注意的是，电极制备全程无半液态金属损耗，通过NaOH溶液即可实现材料近乎完全回收，回收金属质量与初始用量基本一致。该技术为可穿戴生理电信号监测提供了定制化、高稳定性的解决方案，助力推动零损耗医用电子器件发展，有效缓解一次性医疗设备带来的环境污染与资源浪费问题。

图6. 可定制化零损耗皮肤界面电极的应用

总结与展望

本研究开发的无损刻蚀图案化技术，是柔性电子制造领域的变革性方法，突破了传统增材和减材制造的局限。该技术通过乙醇调控液态金属与基底间的动态界面粘附性，在机械挤压过程中实现材料零损耗，有效解决了传统工艺固有的材料浪费、流程复杂及操作成本高昂等核心难题。此外，界面粘附调控策略克服了不同基底界面特性差异导致的液态金属电路制备基底专一性问题，可在多种基底上定制兼具高拉伸性、共形贴合性等多元性能的柔性电路。同时，该技术支持液态金属的回收与重复利用，通过无损刻蚀避免金属废料产生，既降低了环境污染，又显著减少材料成本，契合绿色制造理念。该无损刻蚀图案化技术满足了高精度、无损耗、多基底适配及可回收液态金属柔性电路的制备需求，通过材料研发、物理机制探究、制造工艺优化、性能表征及器件应用验证的多学科交叉研究，为该技术在高精度柔性电子与生物医学传感器领域的广泛应用奠定了坚实基础。未来，该研究有望加速液态金属柔性电路向可穿戴健康监测系统、植入式诊断器件等前沿应用的实际转化，为环境可持续型智能柔性电子器件的发展提供重要支撑。

课题组介绍

液态金属与低温生物医学研究中心

围绕液态金属这一重大新兴前沿学科领域，实验室经过近二十年的努力，在基础探索及其综合利用方面取得一系列开创性基础发现和底层技术突破，先后开辟出诸多崭新领域和前沿方向，如：液态金属印刷电子学与3D打印、液态金属芯片冷却与能量捕获、液态金属生物材料学以及液态金属柔性机器学等，率先在国际上构建了液态金属物质科学与应用技术体系。与此同时，还提出并推动了中国液态金属谷与液态金属全新工业的创建和发展，得到业界广泛认同。实验室发明的一系列技术已推向规模化市场应用，研究成果在世界范围广有影响。

实验室在低温生物医学领域先后建立了系列新型高/低温医疗模式、生物热物理理论与应用技术。因在生物传热领域的卓越贡献，刘静研究员曾获国际传热界最高奖之一（威廉•伯格奖）。团队发明并研制出世界首台集深低温冷冻与高温消融于一体的肿瘤微创治疗设备（康博刀），已于2017年通过国家药监局批准，目前在全国范围实现规模化临床应用。在长期实践中，实验室还较早提出低成本普惠医疗技术思想，出版了均为国际首部的前沿著作：《先进低成本医疗技术》及《手机平台上的生物医学工程学：原理及应用》，促进了新兴学科和产业繁荣。

国瑞研究员主页：https://people.ucas.edu.cn/~guorui21

刘静研究员主页：

https://ipc.cas.cn/sourcedb/cn/yjzx/jcqn/200904/t20090415_5262414.html

原文信息

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66815-4