近日，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院田艳红教授团队携手上海交通大学曾小勤教授团队和香港城市大学朱剑豪教授，对液态金属在自愈合材料领域的最新研究进展及其在未来电子器件中的应用前景进行了系统性总结。相关综述以“Liquid metal alchemy: Unlocking self-healing gallium-based materials for next-generation electronics”为题，发表在材料科学领域顶级期刊《Materials Science & Engineering R》上。

1.背景介绍

随着电子信息技术的飞速发展，电子设备早已融入现代生活和工业生产的各个方面。人们对电子设备功能和性能的要求不断提高，传统的刚性、低集成度设备已难以满足需求。柔性电子设备因其能在复杂环境中工作、可弯曲折叠并保持功能完整，成为可穿戴设备、生物医疗器件和能源领域极具潜力的发展方向。柔性电子的核心突破离不开新材料的支持。其中，金属材料凭借优异的导电导热性和机械性能扮演着关键角色。然而，传统的刚性金属在需要高柔韧性和耐用性的场景中应用受限。液态金属（liquid metal，LM），特别是镓（Ga）及其合金的出现，为材料科学和相关领域带来了革命性机遇。它们在室温或接近室温下保持液态，拥有媲美金属的高导电/导热性、出色的流动性以及相对较低的毒性。更令人惊喜的是，当液态金属暴露在空气中时，其表面会迅速形成一层极薄的氧化层。这层氧化膜能在受损后驱动液态金属“自愈合”—流动填充裂缝、重建导电通路，甚至恢复机械结构。

这种天生的自愈能力，与材料科学中“自愈材料”的理念高度契合。自愈材料能像生物体一样在受损后自行修复，显著提高使用寿命和可靠性。液态金属凭借其独特的流动性、导电性和表面氧化层特性，成为实现高效自愈功能的理想候选者，尤其在需要电路快速恢复或结构重建的柔性电子和长寿命电池领域展现出巨大潜力。

图1 液态金属自修复机制以及液态金属在自修复材料中的应用。

2.液态金属与自修复材料的发展历程

镓基液态金属与自愈材料的发展，如同两条长期并行探索的轨道，各自积累了深厚的科学基础，最终在2009年迎来里程碑式的交汇，催生出一个充满活力的交叉领域，见图2。

图2 液态金属与自修复材料发展历程

3. 本文将液态金属的在实际应用中的作用形式分为液态金属作用于材料表面、液态金属封装于材料内部以及液态金属与基体材料混合，其中具体的工艺方法，见图3。液态金属作用于材料表面技术包括直写技术、热转印、雾化喷洒、弯液面引导打印、滚筒印刷以及3D打印等；液态金属封装于材料内部技术包括注入式封装、堆叠式封装、嵌入式封装；液态金属与基体材料混合技术包括混合模具成型、糖模板法、研磨热压法。

图3 液态金属在材料中应用形式：(a) 液态金属应用于材料表面；(b) 液态金属封装于材料内部；(c) 液态金属与材料进行混合

液态金属在柔性电子中的核心修复机制：流动性与表面张力的作用，见图4。LM通常以微米/纳米级液滴形式分散在聚合物基体中。当材料基体受外力损伤（切割、穿刺）时，内部的LM微滴破裂。凭借极低的粘度和优异的流动性，破裂的LM能瞬间流向并填充损伤区域（裂纹、孔洞），见图4(a)-(e)。LM表面自然形成的薄氧化层(Ga₂O₃等)在静态下会阻碍液滴融合。然而，在损伤引发的高表面张力驱动下，流动的LM能克服原子级间距，冲破氧化层的阻碍。邻近的LM液滴或液流融合、聚结，形成更大的导电区域，见图4(f)-(i)。融合后的LM在表面张力作用下形成稳定的液态“桥梁”。这座桥梁能抵抗外部扰动（如振动），确保修复后电连接的持久性，见图4(j)-(q)。

图4 无外部条件辅助的液态金属的自修复机制及应用示例。(a) 液态金属在基底受损后的内部自修复机制示意图，其中液态金属重新排列以生成新的电路；(b) 切割基底后液态金属自修复后的整体电阻变化；(c) 穿孔基底后液态金属自修复后的整体电阻变化。(d) 利用压印技术在基底内部形成稳定的导电路径；(e) 经过多次穿孔和拉伸后的复合体的电阻和应变曲线；(f) Ag@LM颗粒的典型力-距离曲线；(g) 液态金属在拉伸过程中的自修复示意图及扫描电子显微镜图像（比例尺：2 μm）；(h) 液态金属在锂/硅阳极充电和放电过程中的自修复示意图；(i) 充电和放电前后锂/硅阳极的 STEM 图片；(j) 液态金属与表面、聚硫化物环和硫醇末端基团相互作用的示意图；(k) 从液态金属电化学表面谱(LMESP)获得的液态金属的 XPS 光谱；(l) 液态金属电化学表面谱材料的自修复过程示意图。(m) 自修复水凝胶在二次拉伸后不会在原断裂处破裂；(n) 不同时间以不同指标表示的自修复效率的直方图。(o) 对基底进行处理以改变材料中 LM 湿润性的示意图。(p) 水凝胶在应变从 1% 变为 1000% 的交替步骤中弹性模量的变化曲线。(q) 水凝胶自修复过程中的亮场图像。

液态金属外场协同作用下自愈合机制：策动液态金属自愈的时空增效，见图5。手动或机械施加压力，强制破碎的LM微滴接触并融合，同时促进断裂的柔性基体层重新接触，见图5(a)-(d)。特定溶剂蒸汽渗透材料，诱导基体发生溶胶-凝胶转变，软化材料并显著提升LM流动性，加速修复，见图5(e)-(g)。将LM与铁磁颗粒混合形成磁性响应颗粒，利用外部磁场远程、精准引导这些颗粒定向移动至损伤区域进行填充修复，见图5(h)-(i)。利用外部热源加热，软化/熔融热塑性基体，使其流动融合覆盖裂缝，同时内部流动的LM填充空隙，协同恢复机械完整性与功能性，见图5(j)-(k)。对受损的导电复合材料施加电压，在断点处LM@导电填料颗粒间诱导焦耳热效应。局部产生的热量加速聚合物分子链运动，促进动态键重组，实现快速修复，见图5(l)-(p)。

图5 需要外部场或额外物质参与的自修复原理图及应用示例。力场辅助自修复：(a) 与横截面接触时可重现的电性能照片；(b) 切片修复前后的扫描电子显微镜图像；(c) 借助特氟龙粘贴剂修复后的整体传感性能原理图；(d) 原始传感器和修复传感器测量的指关节移动阻力变化的原理图。蒸汽辅助自修复：(e) 蒸汽暴露前后聚合物溶剂转变的原理图；(f) 蒸汽辅助自修复的原理图；(g) 断裂愈合前后的光学轮廓仪图像。磁场辅助自修复：(h) 在磁场作用下Fe-EGaIn自修复的原理图；(i) 机器人在经过磁引导的受损导线修复后再次工作的照片。热能辅助自修复：(j) LMF复合材料热自修复过程的原理图及照片；(k) 通过红外热成像对比矩阵和LMF复合材料的散热结果。电热转化辅助自修复：(l) LM@MXene纳米复合材料的TEM图像；(m) LM与MXene之间两种界面相互作用的示意图；(n) 不同LM含量下的自我修复效率以及3LMW薄膜在修复前后的应力-应变曲线；(o) 在5V电压下，不同时间间隔下受损3LMW薄膜的自我修复过程的光学图像；(p) 6LMW薄膜在10次修复循环前后的EMI SE变化。

液态金属在储能领域应用的自愈合机制：合金化/脱合金化，见图6。传统金属电极在循环过程中面临三大难题（见图6(a)-(e)）分别为：枝晶生长、腐蚀与粉化以及体积膨胀。液态金属的室温流动性以及高化学反应活性使其在储能领域有着巨大优势。在充电过程中，液态金属会与金属电极发生反应(锂化过程：Ga(l) → Li₂Ga₇ → LiGa → Li₂Ga)；在放电过程中，液态金属会变回原来的液体状态(脱锂过程：Li₂Ga → LiGa → Li₂Ga₇ → Ga(l)) ，见图6(f)-(h)。液态金属在储能材料中不只是“愈合”，更是“新生”。液态金属的自愈机制对电池性能提升的根本原因有以下几点：首先是液态金属均匀的界面和可逆合金化过程，大大减少了离子不均匀沉积的可能性；其次是液态的流动性本身就能缓冲应力，加上自愈能力修复裂纹，有效防止电极粉化。再者，特定成分的液态金属可以减少电池内部副反应的发生，从而减少副产物的出现，保证的SEI界面的稳定性。最后，在锂离子、锌离子、钠离子等电池体系中，引入液态金属后，电极循环稳定性和容量保持率得到飞跃式提升。基于以上机制，液态金属基储能材料可通过对LM进行区域限动（如纳米笼，聚合物保护层）进一步提升性能，见图6(i)-(k)。

图 6. 液态金属在电池中的自修复机制及应用。(a) 金属作为负极的电池中问题的示意图SEM图像，以及改进这些问题的新型液态镓基负极; (b和d) 铝箔和液态镓的对称电池的循环性能和库仑效率的比较; (c) 经过 28 次循环后的铝电极的SEM图像; (e) 镓阳极在不同电流密度下合金化过程中的表面凝固演变示意图。(f) 循环过程中的不同阶段的LiGa电极以及合金化的示意图;(g和h) 不同循环阶段电极表面SEM图像和XRD图谱（对应图 7(f)中的图表）。(i) LM-Ti₃C₂T_x的制备过程以及电池循环过程中的锂化和脱锂过程的示意图。(j) EGaSn在循环过程中的示意图以及EGaSn@PPy在循环过程中的示意图。(k) 在相同条件下LM-Ti₃C₂T_x和LMNPs电极的循环性能比较。

4. 现存挑战以及未来机遇（见图7）

液态金属及自修复材料的发展面临多重挑战：高成本问题可通过添加廉价金属、优化合金组分比例及设计可复用回收系统实现降本增效；氧化层不可控积累需通过调控载体介质、构建内部限氧通道、开发无氧封装工艺及非破坏性原位分解技术协同抑制，并针对性功能化修饰氧化层以强化性能；粒径均匀性不足可借助层状结构诱导电学各向异性，结合微流控精准分离与高能调控提升粒径可控性；氧化机制模糊需依赖原位表征技术与多尺度模拟动态解析表面演化规律。自修复材料的共性瓶颈包括封装界面薄弱（通过形状记忆聚合物集成与梯度结构设计优化）、协同机制不明（利用多尺度模拟量化多场耦合效应）及评估体系缺失（整合多源数据建立标准化损伤-修复模型）。液态金属基自修复材料在应用中需克服机械性能下降（优化LM含量分布、匹配高强基体、构建限流微结构）、电池界面兼容性差（调控电极成分、引入自愈电解质、设计多孔约束骨架及强化封装）以及多功能集成冲突（基于AI设计系统平衡兼容性、融合先进制造技术实现精密集成）。解决路径聚焦"成分优化-结构约束-界面封装"多维协同策略，结合智能设计、原位解析与标准化评估，深化理论认知并突破技术瓶颈，推动高性能材料在能源、电子及生物医学领域的实用化进程。

图7 液态金属、自修复材料以及复合复合材料当前面临的挑战及未来研究策略示意图。

以上见解可以应用到液态金属自修复材料的研究中，并可以运用于“自愈合效率更高、综合性能更全面的液态金属基自修复材料”的开发中。这篇综述于2025年7月26号以“Liquid metal alchemy: Unlocking self-healing gallium-based materials for next-generation electronics”为题发表在国际顶级综述期刊Materials Science and Engineering: R: Reports （IF=26.8）。详细内容可见

https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101073