第一作者：李诗颖

通讯作者：李润伟教授/刘宜伟研究员/巫远招研究员

通讯单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所、宁波东方理工大学

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202512762

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中国科学院宁波材料所刘宜伟/巫远招团队与宁波东方理工大学李润伟教授团队在《Advanced Science》上发表了一项突破性研究成果——成功开发出仅百纳米厚、总厚度1.1微米的超薄液态金属表皮电极。这项创新技术通过独特的低温沉积工艺，制备出具有超高导电性（3×10⁶ S/m）、优异皮肤贴合性和超低界面阻抗（8.5 kΩ）的生物电极，能够在运动状态下实现医疗级肌电信号监测，信噪比高达22.68 dB，为可穿戴医疗设备与人机交互领域带来了革命性的技术进步。

背景介绍

在现代医疗诊断和人机交互领域，精确采集心电、脑电、肌电等生理电信号至关重要。然而，传统电极在动态监测环境下容易产生运动伪影，信号质量不稳定，严重影响监测效果。理想中的表皮电极需要同时满足四个关键特性：高导电性（>10⁶ S/m）、超薄结构（<1 μm）、与皮肤匹配的低弹性模量（≈1 MPa）以及高拉伸性（>60%）。遗憾的是，现有的导电聚合物、碳基材料和金属复合材料都难以同时兼顾这些性能要求，这成为制约可穿戴生物电子发展的关键技术瓶颈。

研究出发点

液态金属（如镓及其合金）因其独特的金属级导电性、天然流动性和良好生物相容性，被认为是理想的可拉伸导体材料。然而，其高达700 mN/m的表面张力以及易氧化特性，使得制备连续、超薄、均匀的液态金属薄膜极具挑战性。传统的印刷、喷涂、溅射等方法要么只能获得微米级厚膜，要么无法形成连续导电层。本研究创新性地提出了采用低温热蒸发沉积策略，通过在低于225 K的低温基底上精确控制液态金属的成核与生长动力学，成功实现了逐层生长模式，制备出迄今最薄（19 nm）的连续导电液态金属薄膜，且无需任何机械激活处理即可获得接近块体材料的高导电性。

图文解析

本研究通过自主设计的低温物理气相沉积系统，实现了液态金属纳米薄膜的可控制备。该工艺包含三个关键步骤：在低于225 K的低温基底上实现气-固快速成核，控制固态聚结形成连续致密的纳米薄膜，最后在室温下完成固-液转变获得可拉伸导电薄膜。表征结果显示，所得薄膜表面光滑如镜面（粗糙度仅3.3 nm），最薄可达创纪录的19 nm厚度，且在硅片、聚酰亚胺、PDMS等多种基底上均表现出良好的兼容性，为后续构建超薄生物电极奠定了材料基础。

图1.液态金属纳米薄膜的低温沉积制备与微观结构表征

研究团队系统深入地探索了基底温度和沉积时间对薄膜形貌与电学性能的影响规律。实验发现，当基底温度从293 K降至193 K时，薄膜形貌从离散的颗粒结构逐渐转变为连续的片状结构，颗粒尺寸显著减小，致密性明显提高。特别值得注意的是，在温度低于223 K时薄膜开始呈现导电特性，且随着温度进一步降低，方块电阻急剧下降。在153 K的极低温度下，成功获得了19 nm的超薄连续导电薄膜，这一突破为制备高性能超薄电极提供了可靠的工艺窗口。

图2. 基底温度与沉积动力学对LM薄膜形貌与电学性能的调控规律

研究人员详细评估了不同厚度液态金属薄膜在拉伸状态下的电学性能演变。令人印象深刻的是，300 nm厚的薄膜在承受100%应变时，电阻仅增加6%，展现出卓越的机电稳定性。在循环耐久性测试中，该薄膜在100%应变下经历37000次循环后，电阻变化仍可忽略不计（|ΔR/R₀| < 0.25），性能远超传统金薄膜和现有的液态金属导线。这种优异的稳定性源于其独特的多晶微观结构和晶界处超薄氧化层的量子隧穿效应。

图3. 液态金属纳米薄膜的机电性能与循环稳定性评估

利用激光轮廓扫描技术，研究团队定量比较了不同厚度电极与皮肤的贴合性能。结果显示，1 μm超薄电极的贴合性能显著优于200 μm厚电极，最大界面间隙控制在20 μm以内，确保了高效的电信号传输。粘附性能测试表明，1.1 μm厚电极具有最佳的粘附能量（258.35 μJ cm⁻²），完美平衡了稳定信号采集和无创伤剥离的双重要求。此外，电极还展现出优异的水蒸气透过率（600.25 g m⁻² day⁻¹）和72小时佩戴无刺激的生物相容性，满足长期穿戴的临床需求。

图4. 超薄LMNF/PDMS电极的界面力学性能、粘附特性与生物相容性

在实际生物电信号监测中，液态金属超薄电极表现出卓越的性能。界面阻抗测试显示，在1 kHz频率下阻抗仅为9.227±0.394 kΩ，显著低于商用的干电极和水凝胶电极。在肌电信号采集实验中，电极信噪比达到22.68 dB，并能检测到低至0.8 kg握力的微弱信号。特别值得一提的是，研究团队构建的六通道电极阵列成功实现了六种手势的高精度识别，经多层卷积神经网络分析，识别准确率高达97.50±2.20%，展现了在智能假肢控制和精细人机交互中的巨大应用潜力。

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总结与展望

本研究通过创新的低温沉积策略，突破了液态金属难以形成超薄连续薄膜的技术瓶颈，成功制备出19纳米厚的高导电液态金属薄膜，并构建出总厚度仅1.1微米的超薄表皮电极系统。该电极集超高导电性、超低界面阻抗、优异动态稳定性和良好生物相容性于一体，实现了在复杂运动状态下医疗级肌电信号的高保真采集。这项技术为下一代可穿戴医疗设备、智能假肢控制、运动追踪系统和脑机接口提供了可靠的技术平台，未来通过优化封装策略和界面工程，有望进一步拓展其在长期动态监测场景中的应用，推动个性化医疗与智能人机交互的快速发展。

课题组介绍

刘宜伟，研究员，博士生导师，入选国家青年人才项目，担任中国电子学会柔性电子分会委员、中国电子学会可靠性分会委员、中国指挥与控制学会智能可穿戴技术专业委员会委员、宁波市柔性电子学会副理事长等。主要从事柔性敏感材料/传感器设计构筑、性能调控及其在智慧医疗健康及人机交互领域的应用研究，包括：液态金属基弹性导体/电极与电路、弹性敏感材料与力/磁传感器、仿生电子皮肤及应用。主持承担国家重点研发计划、基金委联合基金、基金委面上项目等项目。发表SCI论文100余篇，授权发明专利60余项。

李润伟，宁波东方理工大学讲席教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，浙江省特级专家，享受国务院政府特殊津贴。2002年获得中国科学院物理研究所理学博士学位；2002至2003年，在日本大阪大学产业科学研究所做JSPS研究员；2003至2005年，在德国凯泽斯劳滕大学做洪堡学者；2005至2008年，在日本国家材料科学研究所国际青年科学家中心任高级研究员；2008至2025年，在中科院宁波材料技术与工程研究所任研究员；2025年加入宁波东方理工大学任讲席教授、材料科学与工程学院院长。主要从事信息功能材料与器件研究，先后承担过重点研发计划国际合作项目、国家973项目课题、国家杰出青年基金项目、国家基金重点项目、国家基金重大科研仪器研制项目、区域联合基金集成项目等；在Science、Sci. Robot.、PNAS、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文300余篇，被引用16000余次；主编专著2部，参编专著3部；申请专利300余项，授权180余项，10项专利实现了转移转化；作为第一完成人，荣获了浙江省自然科学一等奖、浙江省科技进步一等奖、宁波市科技创新特别奖、宁波市科技进步一等奖（2项）等。

课题组主页：https://memdl.nimte.ac.cn/

原文信息

S. Li, S. Yang, J. Liu, F. Xu, Y. Wu, Q. Zhang, Z. He, J. Shang, C. Shi, Y. Liu, R. Li. Hundred-Nanometer-Thick Stretchable Liquid Metal Films for Ultra-Conformal Bioelectrodes. Adv. Sci. (2025): e12762.