液態金屬（LM）因其優異的金屬導電性、低毒性、流動性和光熱效應，被認為是柔性電子和軟體機器人的理想材料。然而，其高表面張力和與聚合物溶液嚴重的密度差異，使得穩定分散和復雜結構成型成為長期困擾研究人員的難題。傳統模塑和直寫打印方法難以兼顧高精度、復雜幾何形狀與多功能集成。
針對這一挑戰，西北工業大學官操教授團隊開發了一種普適性的數字光處理（DLP）策略，利用海藻酸鈉（SA）包覆液態金屬納米顆粒，首次實現了微米精度（10 μm）三維液態金屬水凝膠的自由制造。相關成果以“Digital Light Processing of Three?dimensional Liquid Metal Hydrogels”為題發表于《Advanced Materials》。
DLP打印液態金屬面臨三大挑戰：LM密度大易沉降、高表面張力難穩定分散、以及在水環境中易引發單體自聚合。研究團隊通過超聲法制備了海藻酸鈉包覆的LM納米顆粒（SLM）。SA分子鏈上豐富的羥基和羧基與LM表面的Ga?O?層形成氫鍵和離子鍵，顯著提高了溶液黏度并隔絕了LM與單體的直接接觸。
動態光散射測試表明，SLM在SA溶液中至少7天粒徑保持均一，而未經包覆的LM在水或PEG溶液中則迅速團聚并形成棒狀結構。而SLM在SA溶液中展現出超乎尋常的長期穩定性。電子順磁共振譜進一步證實，SA包覆有效抑制了LM誘導的自由基聚合，保證了光敏樹脂的可打印性。
SEM和元素面分布圖顯示，打印出的PAM-SLM水凝膠在微觀層面結構完整、無缺陷，Ga、In、C、N、O等元素均勻分布。作者通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S130，精度：2 μm）制作了精度高達10 μm的三維結構。團隊進一步實現了多材料打印，通過“打印-暫停-打印”策略，制備了二維碼、拉伸主導晶格和彎曲主導晶格等異質結構，界面結合穩定。這種幾何自由度是傳統模塑法無法企及的。
SLM基水凝膠的光固化打印
基于優異的力學性能和結構可設計性，研究團隊系統比較了四種泊松比結構對傳感性能的影響（圖4）。結果表明，晶格結構水凝膠表現出最高的靈敏度（在200%-600%應變區間GF達7.52），檢測范圍覆蓋0.05%至600%，且加載-卸載曲線幾乎重合，電滯后極低。在0.25、0.5和1 Hz動態拉伸下響應頻率不依賴，1000次循環后信號穩定。該傳感器還能精準識別語音指令以及多種人體生理運動，綜合性能優于近期報道的大多數3D打印水凝膠傳感器。
液態金屬優異的光熱轉換特性賦予水凝膠“第四維”—時間響應。如圖5所示，PNIPAM-SLM水凝膠在808 nm近紅外激光照射下（0.5 W/cm2，60秒）體積收縮至原體積的51%，冷卻后恢復原狀。通過設計多材料結構（上層響應性PNIPAM-SLM，下層非響應性PAM），可實現定向彎曲變形。更巧妙的是，研究人員利用DLP技術在不同區域打印微結構（縱向線條、無結構、橫向線條），實現了響應速度的大范圍調控（從1/3倍到1.6倍）。基于此，團隊展示了近紅外控制的軟體抓手、柔性超級電容器的遠程光熱調控以及交叉電路LED開關。
4D打印多材料水凝膠的光熱效應
傳統單通道光學加密易被破解，信息存儲能力有限。研究團隊設計了上層PAM-SLM、下層PAM的雙層結構。在近紅外照射下，上層SLM水凝膠迅速升溫而不會變形，通過紅外熱像儀可清晰讀出16個八進制密碼（編碼“1”區域溫度升高，編碼“0”區域溫度不變）。該加密模式利用熱學通道替代傳統光學通道，顯著提升了信息存儲密度和防破解能力。
總結：研究人員開發的海藻酸鈉包覆策略具有高度普適性，已成功應用于HEA、NIPAM、HEA/NIPAM、AM/PAAS等多種單體體系，均能獲得穩定的光固化墨水和高精度三維結構。這一技術突破了液態金屬柔性器件在幾何自由度、制造精度和功能集成方面的瓶頸，為可穿戴應變傳感器、智能軟體機器人、遠程光控開關、高安全級防偽系統以及4D可編程器件提供了全新的制造范式。未來，該技術有望進一步拓展至生物電子接口、可重構智能表面以及自供能傳感網絡等前沿領域，推動個性化柔性電子器件的快速發展。
原文鏈接：http://doi.org/10.1002/adma.73495
