液态金属(LM)凭借优异的导电性、流动性和可变形能力，在柔性电子和软材料领域受到广泛关注。然而，液态金属较高的表面张力使其在水相聚合物体系中容易团聚，同时液态金属液滴与聚合物网络之间通常缺乏足够的界面耦合，使其难以有效参与应力传递与裂纹耗能，限制了液态金属复合水凝胶在损伤环境下的长期可靠性。

  近日，燕山大学秦志辉、焦体峰教授联合美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)贺曦敏教授团队，通过单宁酸(TA)介导的液态金属界面工程策略，在共晶镓铟液态金属纳米液滴表面构建多酚界面层，使液态金属由传统的“被动功能填料”转变为能够参与应力传递、能量耗散和裂纹钝化的“主动抗裂单元”。所构筑的PHEA-S/LM@TA水凝胶同时表现出860%的断裂应变、0.75 MPa的拉伸强度和3.09 MJ m^-3的韧性，并实现最高达92%的缺口断裂应变保持率以及12.43 kJ m^-2的断裂能。进一步依托液态金属的导电和光热特性，材料还实现了损伤容忍应变传感、ECG/EMG生理电信号采集和动态红外伪装。

  2026年8月26日，相关成果以题为“Interface-engineered liquid metal-composited hydrogels with high toughness and extreme flaw insensitivity for damage-tolerant wearables”发表于Cell Press旗下期刊 Matter。燕山大学博士研究生时小娇为论文第一作者、燕山大学秦志辉、焦体峰及UCLA贺曦敏教授为本论文共同通讯作者，本研究得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金青年基金A类及面上项目等资助。

图1. LM@TA纳米液滴及PHEA-S/LM@TA水凝胶的制备过程与裂纹钝化机制示意图。

  研究团队选择天然多酚分子单宁酸(TA)对共晶镓铟(EGaIn)液态金属纳米液滴进行界面修饰。在乙醇体系中通过超声处理，将块体EGaIn破碎成纳米液滴，同时TA迅速锚定在新生成的液态金属表面，获得平均粒径约400 nm的LM@TA纳米液滴。随后，研究将LM@TA引入由PHEA和硅氧烷网络组成的半互穿网络中，构筑PHEA-S/LM@TA复合水凝胶。TA在体系中兼具液态金属界面稳定剂和动态界面桥梁的作用。一方面，其儿茶酚基团可与液态金属表面氧化层发生配位，抑制液滴聚集并提高水相分散稳定性；另一方面，丰富的酚羟基可与PHEA-S网络形成大量动态氢键，增强填料—基体界面耦合，促进应力传递、能量耗散和裂纹尖端钝化。其独特之处在于：对于传统刚性填料，在裂纹尖端受到拉伸时，填料与柔软基体之间的机械失配容易产生界面脱粘，并进一步放大局部应力集中。未经TA修饰的裸LM虽然自身能够变形，但由于液滴与聚合物之间作用较弱，在拉伸过程中容易发生滑移和界面解耦，因此仍然难以有效传递载荷。而LM@TA则完全不同。在正常形变过程中，TA介导的强界面作用可以使LM@TA液滴与周围聚合物链协同形变；当应力进一步升高时，界面氢键又可以依次解离，通过牺牲动态作用耗散能量，并在卸载后重新形成。也就是说，这一体系实现了：应力传递—协同形变—动态键解离—能量耗散—裂纹钝化。

图2. PHEA-S/LM@TA水凝胶的结构表征

  首先通过一系列表征验证了LM@TA与PHEA-S网络之间的有效界面结合。FTIR中，–OH伸缩振动由3412 cm?1进一步红移至3380 cm?1，表明LM@TA引入后氢键作用增强；XPS中C=O、C–O及Si–O相关峰位发生偏移，进一步证明了界面电子环境的改变。与此同时，SEM显示复合水凝胶形成更致密均一的多孔结构，EDS元素分布也证实LM@TA在基体中的均匀分散。这些结果共同说明，LM@TA并非简单物理填充，而是通过动态氢键与PHEA-S网络形成了稳定而有效的界面耦合。

图3. PHEA-S/LM@TA水凝胶的力学性能与能量耗散行为

  随后系统展示了PHEA-S/LM@TA水凝胶优异的力学性能。水凝胶可承受拉伸、扭转、打结、穿刺及提拉200 g重物等复杂变形。通过半互穿网络和LM@TA界面的协同设计，PHEA-S/LM@TA水凝胶的机械性能得到显著提升。其断裂应力和断裂应变分别提升至0.75 MPa和860%，韧性达到3.09 MJ m?3。在循环拉伸过程中，滞后环及耗散能随应变增大而明显增加，表明动态氢键的可逆解离能够有效耗散机械能。在100%应变下连续循环10次后，拉伸应力仍保持初始值的约98.6%，体现出良好的循环稳定性和自恢复能力。

图4. PHEA-S/LM@TA水凝胶的缺陷不敏感性及抗疲劳性能。

  然而，这项工作的核心并不只是“拉得更长”。作者进一步采用单边缺口法系统研究了材料的断裂行为。当缺口长度与样品宽度之比a/w = 0.4时，PHEA-S水凝胶的断裂应变由约600%下降至328%，断裂能仅为2.6 kJ m^-2。未经TA修饰的PHEA-S/LM水凝胶断裂能甚至只有约2.0 kJ m^-2。相比之下，同样具有缺口的PHEA-S/LM@TA水凝胶仍可拉伸至约724%，断裂应变保持率达到84%，断裂能则达到10.8 kJ m^-2。进一步改变缺口形状后更加直观：圆形缺口样品的断裂应变达到792%，保持率约92%，断裂能高达12.43 kJ m^-2；线形缺口样品的断裂应变达到760%，保持率约88%；即使采用应力集中更加明显的三角形缺口，材料仍表现出较高的断裂应变和断裂能。有限元分析也显示，相比PHEA-S水凝胶裂纹尖端高度集中的应力场，LM@TA复合体系能够形成更加宽广、平滑的应力分布区域。这些结果说明，TA介导的界面耦合确实可以使柔软液态金属液滴在裂纹附近发生协同变形，将原本高度集中的裂纹尖端应力重新分散，从而有效延缓裂纹扩展。

图5. PHEA-S/LM@TA水凝胶的光热转换与红外伪装性能

  PHEA-S/LM@TA水凝胶还具备优异的近红外光热响应。得益于液态金属纳米液滴的局域表面等离激元共振效应，在808 nm、0.05 W cm^-2近红外光照射下，材料表面温度可在40 s内由23.7 ℃快速升至57.8 ℃，并在多次开关循环中保持稳定的升降温行为。通过调节光照条件，水凝胶还可实现对不同背景温度的快速匹配，并在覆盖人体手指后显著调控其红外热辐射特征，体现出良好的动态红外伪装潜力。

图6. PHEA-S/LM@TA水凝胶的损伤容忍柔性传感与生物电子应用。

  LM@TA的引入赋予PHEA-S/LM@TA水凝胶良好的导电与传感性能。完整传感器在0–250%和250–860%应变范围内的GF分别为1.52和3.55，响应/恢复时间约为113/142 ms，并可在50%应变下的300次循环中保持稳定输出。更有意义的是，作者并没有只测试“完好”的传感器，而是主动在材料上制造缺口。即使发生局部损伤，缺口传感器仍保持明显的分段线性应变响应，并能够在小应变以及大应变条件下稳定工作。当损伤后的传感器进一步贴附于人体时，仍能够清晰识别手指弯曲、皱眉、吞咽、手腕、肘部及膝部运动。这正体现了该研究从“材料抗裂”进一步向“器件损伤容忍”推进的设计逻辑：材料并不要求在使用过程中永远保持完美无损，而是在真实世界不可避免地出现局部损伤之后，器件仍然能够继续工作。

  此外，PHEA-S/LM@TA水凝胶还可作为皮肤生物电极用于ECG和EMG监测。其皮肤界面阻抗低于商业Ag/AgCl电极，可获得清晰的PQRST波形，ECG信噪比达到28.88 dB。EMG测试中，信号幅值随握力增加而增强，可有效反映肌肉收缩强度，显示出其在可穿戴生理电信号监测中的应用潜力。

图7. PHEA-S/LM@TA水凝胶中LM的闭环回收

  对于液态金属复合材料而言，材料服役结束后的资源回收也是一个值得关注的问题。将PHEA-S/LM@TA水凝胶置于4 M NaOH溶液中，可在24 h内使聚合物网络发生降解。随着TA稳定界面和聚合物网络逐渐解离，分散的液态金属纳米液滴重新聚并形成块体液态金属，从而实现分离和回收。最终液态金属的回收率达到78.5 ± 3.6%。回收后的液态金属仍具有良好的流动性和金属导电性，可重新制备导电线路并成功点亮LED。这一设计进一步构建了从材料制备—功能使用—网络降解—液态金属回收再利用的闭环路径。

  论文信息

  论文题目：Interface-engineered liquid metal-composited hydrogels with high toughness and extreme flaw insensitivity for damage-tolerant wearables

  作者：Xiaojiao Shi, Zhihui Qin, Chuan Wei Zhang, Ruoyi Ke, Qiuli Xu, Na Li, Hong Jiang, Tifeng Jiao, Ximin He

  期刊： Matter

  https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102971