近日，兰州大学物理学院兰伟教授科研团队在液态金属高精度制造与智能可穿戴方向取得重要进展。团队围绕镓基液态金属高表面张力引起的形貌失稳问题，研究了天然氧化层在机械剪切作用下由界面向体相演化的过程，揭示了氧化物内化、流变增强与图案稳定之间的关联，并进一步建立了面向不同制造需求的液态金属氧化态调控方法。相关研究成果以“Shear-Oxidation Regulated Liquid Metals: From High-Fidelity Patterning to Intelligent Wearable Interfaces”为题，发表于国际材料领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

镓基液态金属兼具金属的高导电性和液体的变形能力，在柔性电子、二维材料、生物传感、原子制造等领域具有重要应用潜力。然而，高表面张力使其在加工后容易发生自发回缩和圆化，导致精细结构难以稳定保持。表面天然形成的氧化镓薄层虽能提供一定的界面约束，但难以有效限制液态金属内部的流动。因此，如何将这种界面作用进一步转化为对体相流动的有效调控，是提升液态金属图案稳定性的关键。

围绕这一问题，研究团队重点考察了液态金属天然氧化层在持续剪切作用下的结构演化及其对体相流变行为的影响。研究表明，机械剪切会使表面氧化膜不断破裂，而新暴露的液态金属表面又迅速重新氧化，新生成和破碎的氧化物进一步被卷入液态金属内部。随着这一过程持续进行，原本主要局限于界面的氧化结构逐渐转变为分布于体相中的氧化物富集异质结构，并显著增强材料内部的流动阻力，使体系由接近牛顿流体的状态逐步表现出明显的剪切变稀和类屈服行为。随着体系类屈服行为增强，材料内部抵抗流动的能力逐渐能够与表面张力产生的毛细驱动力相竞争，从而有效抑制液态金属的形貌松弛和自发回缩，同时维持连续的金属导电网络。

为定量刻画这一结构演化过程，团队进一步引入基于质量演化的有效氧化态描述符𝜙_ox，用于描述剪切过程中氧化物逐步内化所对应的材料状态，并通过多尺度结构、流变和电学表征，建立了氧化状态、内部结构与宏观物性之间的关联。研究发现，随着剪切诱导的氧化物不断进入液态金属内部，材料内部异质结构逐步增强，剪切变稀和类屈服特征也更加显著，对形貌回缩的抵抗能力随之提高；与此同时，氧化物的增加也会对金属导电通路产生一定影响，体现出形貌稳定性与电输运性能之间的内在权衡。

基于不同氧化状态在流变与电学性能上的差异，团队进一步提出了液态金属状态分区集成的设计思路，通过为传感单元与柔性互连匹配不同材料状态，降低长距离柔性布线引入的寄生电阻及形变干扰。在此基础上，团队构建了十通道可穿戴传感手套，可稳定获取多个手指关节的运动信息，并保持良好的多通道信号独立性。结合轻量化 Transformer人工智能模型，系统实现了七类手势的准确识别，在实验数据中获得100%的分类准确率，并进一步驱动机械手完成相应动作，验证了该材料状态调控策略在智能可穿戴电子和人机交互中的系统集成潜力。相关研究为理解和调控液态金属复杂流变行为提供了新的思路，也为其在高精度柔性制造和智能可穿戴系统中的应用拓展了新的路径。

物理科学与技术学院兰伟教授、盛鸿伟青年研究员为论文共同通讯作者，2024级博士研究生胡锦坤为论文第一作者，兰州大学为该成果完成单位。该研究得到国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金重点项目、甘肃省联合科研基金项目及兰州大学青年科研人员支持基金的共同资助。

近年来，兰伟教授科研团队持续围绕柔性电子学领域开展应用基础研究，在柔性能源器件及系统、柔性传感器、人机界面元器件、柔性导电膜等方向持续开展研究，多项原创成果发表于Science Advances、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Nano Energy、ACS Nano 等国际顶级期刊，展现了兰州大学在柔性电子领域的持续创新能力与重要学术影响力。

本论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78124

部分代表性成果链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202522601

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu1598

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adh8083

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abe3097

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202420404

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202301218

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c01898

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524013648