南京大学孔德圣课题组AMT：金属纳米线复合导体的拉伸增强策略

Wiley

2026-02-06

柔性电子正引领电子技术迈向“与人体及软结构无缝融合”的新阶段。在这一进程中，开发兼具可拉伸性与耐久性的导电材料，成为构建可穿戴健康监测设备、生物接口及软体机器人等系统的核心挑战之一。金属纳米线因其高电导率、可溶液加工性以及高长径比结构，近年来备受关注，被视为构筑柔性导体的理想基元材料。然而，在大变形或长时间循环拉伸条件下，金属纳米线网络易发生断裂、滑移和脱落，导致导电性能急剧下降，严重制约了其实际应用。

南京大学孔德圣课题组在Advanced Materials Technologies上发表的综述文章，系统总结了金属纳米线导体在提升拉伸性能与耐久性方面的最新研究进展，并从微结构设计、纳米线取向调控、自愈合能力及界面工程等多个角度，深入解析了其背后的物理机制与材料学规律。

图1对比了零维金属纳米颗粒、一维金属纳米线及二维纳米片在弹性体中分散的结构差异。由于高长径比结构可显著降低渗流阈值，纳米线填料能在较低体积分数下形成连续导电通路。然而在拉伸过程中，导体可能发生三种典型失效模式：单根纳米线的断裂、纳米线结点处的滑移，以及复合膜整体的裂纹扩展。这些微观破坏共同导致导电通路中断，成为限制其耐久性的关键因素。

图2展示了近期通过微结构设计实现高拉伸性导体的策略。其中，通过原位相分离法制备的多孔结构在拉伸至500%应变时仍保持电阻稳定，其内部孔隙可有效吸收局部形变、分散应力，从而避免银线断裂。另一种策略则通过调控湿度诱导纳米线束集，形成局域致密的导电通路，使导体在拉伸过程中以“束”为单位协同变形。这两种微结构设计均显著提升了复合导体的极限拉伸率与循环稳定性。

图3呈现了不同取向控制方法构筑的金属纳米线导体。例如，利用水面组装法获得单向排列的银纳米线层，在垂直于排列方向拉伸时仍保持高导电性，而沿平行方向则电阻迅速上升。进一步发展的三维层次化取向结构，通过构建“水母状”金纳米线簇实现垂直取向装配，在200%拉伸应变下仍维持低电阻。这类取向调控策略为开发可定向应变响应及多轴柔性电子器件奠定了结构基础。

图4揭示了引入液态金属的电学自愈机制。当金属纳米线层在拉伸中产生裂纹时，邻近的液态金属微胶囊因应力作用破裂，释放出高流动性的金属液滴，自动桥接断裂区域，恢复导电通路。基于该机制构筑的双层复合导体在超过1000%的拉伸应变下仍保持导通，并在900次循环应变后电阻变化极小。该设计理念使导体从“抗损伤”转向“可自愈合的容损伤”，为长期稳定运行的柔性电子提供了新思路。

图5展示了两种代表性的界面策略。其一是通过巯基化学键合层在银纳米线与PDMS基底之间建立共价连接，改善载荷传递并显著延长导体寿命；其二是采用聚轮烷滑环结构与可逆二硫键，使滑环在应变下可沿主链自由移动以耗散能量，从而实现可逆形变与结构恢复。得益于这些分子层面的界面设计，导体在16万至23万次循环拉伸后仍能保持稳定的导电性能。

综上所述，上述四类策略在不同结构层次上协同优化了金属纳米线导体的结构完整性与电学稳定性，为柔性电子、可穿戴生物电极及可变形光电器件的发展奠定了坚实的材料基础。未来的研究应聚焦于可规模化制备工艺、环境与生物相容性提升以及多功能集成设计，以推动金属纳米线导体从实验室走向实际应用。

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