文章导读
随着柔性电子技术在消费电子、生物医疗以及软体机器人等领域的快速应用与推广，业界对柔性电子器件的稳定性和耐久性提出了更高的要求。自修复柔性智能材料因其能自动修复器件的受损部位并恢复器件的导电性和机械性能，受到了业内学者们的广泛关注与研究。室温液态金属，作为一大类物化性质十分独特的自修复智能材料，由于兼备金属的导电性以及流体的流动性，在自修复柔性电子领域备受青睐，特别是在可穿戴电子、柔性机器人和柔性电池储能等领域展现出广阔的应用前景。当前，研究人员正在积极探索优化室温液态金属自修复的策略，以期提升其适应性，进而推进相关柔性电子技术的发展。
近期，中国科学院理化技术研究所刘静研究员课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Room temperature self-healing liquid metals: capabilities, applications and challenges”的综述性论文。文章以室温液态金属（Liquid Metal, LM）自修复为主题，对其前沿进展进行了系统性总结：首先，对典型自修复LM的功能特性进行简要概述，总结并梳理出LM的三种自修复机制；然后，详细论述了基于这三种机制发展的自修复策略以及各自的优势与不足；接着，展示了自修复LM材料的典型应用；最后，总结了自修复LM所面临的关键挑战，并对未来的发展进行了系列展望。
文章内容
综述要点：
1. LM材料的自修复能力源于其独特的物化性质，基于这些性质，论文总结了LM材料的三种自修复机制：液滴聚并、相变体积膨胀与化学交联（图1）。
2. 目前，基于LM的三种自修复机制，已发展出多种自修复策略，这些策略在响应速度、修复程度、触发条件、环境适应性等方面各具优势。基于此，论文依次论述了如何通过接触式控制策略（如机械烧结，图2）、非接触式控制策略（远程外场调控，图3）实现LM液滴聚并与自修复；接着，展示了基于LM非常规相变膨胀（“热缩冷涨”）触发的“可逆”自修复策略（图4）；最后，列举了基于化学交联机制的LM复合材料体系自修复策略（图5）。
3. 在应用方面，采用自修复LM设计的可穿戴设备不仅能够实时适应生物体的运动和变形，而且还能保持电路完整性，这使其成为可穿戴设备的理想材料（图6）；与传统的电极材料相比，自修复LM可有效解决电池循环过程中裂缝和空隙的形成问题，大大提高了电池储能设备的循环寿命（图7）；自修复LM结合其它独特的材料属性（高导热/导电性、室温可逆相变、生物安全性等）在软体机器人设计研发领域展现多功能应用前景（图8）。
4. LM自修复的未来发展方向包含以下几个关键点：（1）多物理场协同机制：研究如何通过不同物理场的相互作用来加速和优化自修复过程。（2）理论基础强化：通过深度学习和分子动力学的融合，为自修复机制提供更深入的理论支持。（3）智能响应系统：开发能够主动感知环境变化并触发自修复机制的系统，以提高材料的适应性和智能性。（4）极端环境适应性：设计能够在极端温度、压力和腐蚀条件下工作的新型材料，以拓展LM自修复技术的应用范围。
图 1. LM的三种自修复机制。A. 液滴聚并机制。两个LM液滴接触后发生振荡聚并。B. 体积膨胀机制。(a) LM体积膨胀引起的导电自修复；(b) 两个LM液滴之间的距离因体积膨胀而减小。C. LM及其衍生物与聚合物中的各种化学基团结合：（a）-OH；（b）-NH2；（c）多硫环（R-Sn-R）和硫醇末端基团（R-SH）；（d）-COOH；（e）多酚。
图 2. 机械刺激诱导液滴聚并实现LM自修复。A. 压印过程使离散在弹性体基质中的LM微液滴连接形成导电网络。B. 局部机械烧结使LM纳米颗粒形成导电通路。右侧插图分别展示了机械烧结前后LM纳米颗粒的形貌。C. 填充LM的自修复弹性导线修复电路过程。D. 纸基底上断裂的LM线路在压应力作用下的自修复过程。E. 机械刺激和毛细力协同实现柔性导电LM/ITO薄膜的自修复过程。F. 液态金属微胶囊破裂填充裂缝修复电路。G. LM弹性体复合材料的导电自修复。
图 3. 远程外场诱导LM液滴聚并实现自修复。A. 磁场：（a）施加磁场前后LM与基底的接触展示；（b）磁场诱导LM自修复过程示意。B. 温度场：加热—冷却过程触发LM弹性体复合材料自修复。C. 声场：LM在超声作用下生成纳米粒子填充在弹性基质中形成导电网络。D. 电场：静电吸引力诱导LM电极面内自修复。
图 4 LM相变诱导的“可逆”自修复。A. LM液滴相变和聚合物刚性变化协同作用诱导LM-聚合物复合材料的导体—绝缘体可逆转变。B. LM液滴膨胀并与相邻液滴连接。C. LM-聚合物复合材料电阻随温度变化曲线。D. LM-聚合物复合材料的DSC曲线。
图 5. 化学交联实现 LM 复合材料自修复。A. 化学交联“缝合”LM复合材料实现自修复示意。B. LM嵌入硫聚合物材料的自修复机制示意。C. 超分子PAA-LM/rGO水凝胶的（a）设计策略和（b）自修复机制示意。D. PVA-LMPs水凝胶制备与可逆自修复示意。E. 磁性PVA/EGaInSn-Ni水凝胶自修复机制示意。
图 6. 自修复 LM 可穿戴设备。A. 集成多个LM传感器的衣服（上图）以及内含LM的纺织纤维（下图）。B. LM外骨骼固定器。C. 贴片式脑电信号传感器。D. 可采集肌电信号的LM电子纹身及电容式传感器手套。E. 用于膝关节热疗的可拉伸LM加热器。
图 7. 自修复LM在电池中的应用。A. 将Ga-Sn LM 稳定在还原氧化石墨烯/碳纳米管骨架中，制备自修复锂离子电池阳极。B. 锂离子电池阳极在充放电过程中的自修复示意。(a) LM/Si 阳极的充放电过程（左）；(b) LM/Si 阳极放电前（右中）和放电后（右下）的 STEM 图及相应的元素分布图。C. LM 纳米粒子封装在中空碳纤维中，用作锂离子电池的自修复阳极。D. 中空Ga2O3@N-CQD用作锂离子电池自修复阳极。
图 8. 自修复LM在软体机器人中的应用。A. 自修复LM软体机器人。B. 自修复LM与介电弹性体复合制备变刚度驱动器。C. 自修复LM电子传感器用于机器人压力传感。D. 内嵌LM的含硫聚合物有望用作自修复机器人结构材料。
中国科学院理化技术研究所博士生花晨和清华大学生物医学工程学院博士后高建业为本文共同第一作者，高建业博士和刘静研究员为共同通讯作者。
课题组简介
花晨，本文（共同）第一作者，于2023年获得山东大学能源与动力工程学士学位，曾获校长奖学金、国家奖学金等。目前在中国科学院理化技术研究所攻读博士学位。研究方向主要聚焦在液态金属、计算材料、人工智能等。邮箱：huachen23@mails.ucas.ac.cn
高建业，本文通讯作者，清华大学生物医学工程学院博士后（助理研究员），主要从事多孔液态金属智能材料与器件的研究。共在Advanced Materials, Materials Today, Matter, Advanced Functional Materials, Applied Physics Reviews等期刊发表学术论文46篇，申请专利 8 项，撰写英文专著1章节。部分科研成果被中央电视台、科技日报、北京日报、新华网、人民网、中国科技网、EurekAlert等媒体报道。主持中国博士后科学基金项目1项，负责企事业单位委托项目1项。获得校长奖学金、国家奖学金、朱李月华优秀博士生奖学金等，并获选中国材料大会优秀学术报告、青年学者报告等。邮箱：gaojianye@tsinghua.edu.cn
刘静，本文通讯作者，清华大学生物医学工程学院教授，中国科学院理化技术研究所研究员，2003年国家杰出青年科学基金获得者。长期从事液态金属、生物医学工程与热物理等研究并做出系列开创性贡献。发现液态金属诸多全新科学现象与基础效应，开辟了液态金属在生物医学材料学、柔性机器人、先进芯片冷却以及印刷电子学/半导体等领域的突破性应用并建立理论与应用技术体系，成果被New Scientist、Technology Review、CCTV《栋梁之材》等大量评介，他还提出并推动了中国液态金属谷以及液态金属新工业的创建和发展，研发的诸多液态金属设备及产品、大型肿瘤治疗装备-康博刀系统及系列无线移动医学仪器等得到广泛应用。刘静教授曾获国际传热界最高奖之一“威廉·伯格奖”、全国首届创新争先奖、入围及入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”各1次，入选CCTV年度十大科技创新人物、两次获得中科院在京科技成果转化先进团队特等奖，10次以上获得中科院及清华大学优秀教师和优秀研究生指导教师称号等。邮箱：jliu@mail.ipc.ac.cn
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引用：
Hua, C., Gao, J., & Liu, J. (2024). Room temperature self-healing liquid metals: capabilities, applications and challenges. International Journal of Smart and Nano Materials, 15(3), 469–501. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2385349
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
IJSNM所有文章接收后即可在线发布并获得引用，欢迎广大学者将最新研究论文投稿至IJSNM。
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投稿地址：https://rp.tandfonline.com/submission/create?journalCode=TSNM
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Tel.: 0451-86413401
引用数据：
Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
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