2026 年 10 月 29 日
弗吉尼亚理工学院（Virginia Tech）的研究团队近日揭示了液态金属在软材料中形成导电通路的物理机制。该研究发表于《物质》（Matter）杂志，旨在解决软电子器件中电流传导难以精确控制的问题。
液态金属与软电子的挑战
在可穿戴传感器和形状可变机器人等需要拉伸或弯曲的电子设备中，液态金属常被用作导电介质。然而，此前学界尚未完全厘清金属如何在聚合物等绝缘基质中实现电连接，这限制了软电子器件性能的优化。
机械工程副教授、约翰·R.斯三世学院研究员迈克尔·巴特利特（Michael Bartlett）指出：“我们的团队及全球其他研究者多年来一直利用机械压力将液态金属复合材料转化为导体，但并未真正理解材料内部的微观变化。我们希望揭示使独立液滴突然形成导电网络的物理机制。”
巴特利特与其博士生祖（Zu）以及休·P.格伦南（Hugh P. Glennon）共同完成了这项研究。他们发现，嵌入软材料中的液态金属微滴能够通过特定机制相互连接，从而赋予材料导电性。
断裂介导的渗流机制
液态金属复合材料结合了金属的高导电性与软材料的柔韧性，具有巨大的应用潜力。研究团队使用了一种在室温下呈液态的金属合金（Temperature Body Liquid）。在微观尺度上，这种合金表现为一系列类似水滴的球体；当球体接触时，它们会合并形成电流通道。
通常，研究人员使用聚合物等材料将这些微小金属球封装在软电子器件中，这意味着绝缘材料也填充了金属滴之间的空隙。核心问题在于：当绝缘材料阻碍直接接触时，电流如何传输？
巴特利特团队利用显微镜和 3DX 射线成像技术观察了不同压缩状态下的液态金属行为。结果显示，施加压力会导致邻近金属滴间的绝缘材料破裂，允许金属流入裂缝。即使移除压力，金属仍保留在裂缝中，从而利用材料本身的柔性形成了持久的电流通道。
“我们能够在二维平面观察这一过程，并在三维空间中重建路径，”祖表示，“这让我们更清晰地理解了局部裂缝与液体运输如何构成更大的导电网络。”
数学模型与设计框架
除了实验观察，团队还开发了一种数学模型，用于预测使材料具备导电性所需的力的大小。该模型适用于从毫米级到几十微米级的不同尺寸液滴设计。
合著者格伦南解释道：“通过仔细观察实验过程，我们将路径形成与断裂力学模型联系起来。现在我们可以针对特定应用所需的力和长度尺度，设计液态金属复合材料。”
这项工作为液态金属复合材料的电激活过程提供了新的理论框架，即“断裂介导的渗流机制”。这一发现有望帮助制造商更精准地控制可伸缩传感器、可穿戴电子设备及软机器人的导电性能。
巴特利特总结道：“我们可以利用这些知识指导材料设计和制造。这为构建一种通过材料架构和设备加工方式来编程导电性的软电子系统打开了大门。”
参考文献：
Zu, H.P. Glennon, M. Bartlett et al., Fracture-mediated percolation mechanism dominates electrical activation in liquid metal composite conductors, Matter (2026). DOI: 10.1016/j.matt.2026.103089.
