近日，东南大学化学化工学院、无锡校区张久洋教授团队在国际知名期刊《Nature Communications》上发表题为《Regulated Liquid Metal via Semiconductor Valve toward Highly Stretchable Topological Circuits》的研究论文，提出了一种基于界面势垒工程构建液态金属-半导体阀的策略，赋予了液态金属单向导电能力，从而实现了柔性电路的拓扑重构。

  随着可穿戴设备、电子皮肤和软体机器人等柔性电子产品的快速发展，对兼具机械顺应性、电气稳定性和多功能集成的可拉伸电路的需求日益增长。然而，传统柔性导电材料往往难以同时兼顾高导电性与高拉伸性，与此同时，目前多数柔性电路仍以二维平面结构为主，空间拓扑设计受到限制，难以充分发挥三维柔性电路在结构集成方面的潜力。

  液态金属因其室温流动性和高导电性成为制造三维柔性电路的理想材料。但其本征欧姆导电特性使其通常只能承担互连导线的角色，无法像半导体一样对载流子传输方向进行调控。此外，现有的柔性整流器拉伸性通常受限（<100%），且传统的二维薄膜形态限制了三维电路的空间设计自由度。

  针对上述挑战，张久洋教授团队深入研究了液态金属与半导体异质界面的载流子传输行为。团队将单面镀金的p型硅片嵌入液态金属流体中，利用液态金属与半导体之间的功函数差异，在界面处诱导出不对称的界面势垒。在这一机制下，液态金属主动参与形成了整流结，从而实现了内部载流子的单向传输，成功构建了液态金属-半导体阀（LM-SV）该工作改变了液态金属在柔性电路中的角色，使其从被动的导电互联转变为积极参与界面载流子传输调控的主动元件。此外，得益于液态金属在空间中的重构互穿能力，LM-SV基液态金属电路能够克服传统二维电路的布线限制，实现从二维平面布局到三维空间架构（甚至堆叠状态）的自由转换（图1）。

图 1. LM-SV的结构、单向导电性能及电路3D空间架构转换

  研究表明，该LM-SV策略赋予了柔性电路优异的综合性能。在机械性能方面，集成了LM-SV的液态金属线结合了聚合物的延展性与液态金属的流动性，能够承受高达1000%的超大拉伸应变而不发生损坏。在500%的拉伸应变下经过1000次循环测试后，LM-SV仍能保持单向导电性。在电气与环境适应性方面，LM-SV可在-5 ℃至100 ℃的宽温区以及1 Hz至5 MHz的宽频信号输入下保持稳定的工作状态。此外，通过调节液态金属（如镓-铟合金）的成分比例，LM-SV的开关电压可以在0.43 V至0.80 V之间进行按需调控（图2）。

图 2. LM-SV在不同应变、温度、频率及不同液态金属成分下的电学性能

  此外，凭借液态金属独特的流动性以及界面单向导电的协同作用，基于LM-SV的电路可以通过简单的物理操作（如堆叠、连接和阻断）实现动态的拓扑重构，电路功能能够在截止和整流，或门和与门之间实现转换。这一策略为构建动态拓扑电子系统和提升柔性电路的功能集成度与多样性提供了一种新思路，（图3）。

图 3 基于LM-SV的柔性电路的拓扑重构

  为了验证该策略在柔性电子系统中的应用潜力，团队还将LM-SV与柔性偶极子天线集成，构建了一种由无线能量驱动的可拉伸射频逻辑门电路。该系统在高达200%的拉伸应变、弯折或扭曲等机械形变下，依然能够保持结构完整，并能够捕捉无线射频信号将其转化为直流电，驱动后续的逻辑运算（图4）。

图4. LM-SV基可拉伸的射频逻辑门

  张久洋教授团队主要研究方向为聚合物金属共混材料在电子功能器件、柔性电子、电子封装基础材料中的科学理论与应用前景。论文第一作者为博士研究生韦江丽，东南大学张久洋教授与彭燕博士为论文的共同通讯作者。东南大学为第一通讯单位。该研究成果得到了国家重点研发计划、江苏省自然科学基金等基金资助。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77296-4