液态金属（LM）因其优异的金属导电性、低毒性、流动性和光热效应，被认为是柔性电子和软体机器人的理想材料。然而，其高表面张力和与聚合物溶液严重的密度差异，使得稳定分散和复杂结构成型成为长期困扰研究人员的难题。传统模塑和直写打印方法难以兼顾高精度、复杂几何形状与多功能集成。
针对这一挑战，西北工业大学官操教授团队开发了一种普适性的数字光处理（DLP）策略，利用海藻酸钠（SA）包覆液态金属纳米颗粒，首次实现了微米精度（10 μm）三维液态金属水凝胶的自由制造。相关成果以“Digital Light Processing of Three‑dimensional Liquid Metal Hydrogels”为题发表于《Advanced Materials》。
DLP打印液态金属面临三大挑战：LM密度大易沉降、高表面张力难稳定分散、以及在水环境中易引发单体自聚合。研究团队通过超声法制备了海藻酸钠包覆的LM纳米颗粒（SLM）。SA分子链上丰富的羟基和羧基与LM表面的Ga₂O₃层形成氢键和离子键，显著提高了溶液黏度并隔绝了LM与单体的直接接触。
动态光散射测试表明，SLM在SA溶液中至少7天粒径保持均一，而未经包覆的LM在水或PEG溶液中则迅速团聚并形成棒状结构。而SLM在SA溶液中展现出超乎寻常的长期稳定性。电子顺磁共振谱进一步证实，SA包覆有效抑制了LM诱导的自由基聚合，保证了光敏树脂的可打印性。
SEM和元素面分布图显示，打印出的PAM-SLM水凝胶在微观层面结构完整、无缺陷，Ga、In、C、N、O等元素均匀分布。作者通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S130，精度：2 μm）制作了精度高达10 μm的三维结构。团队进一步实现了多材料打印，通过“打印-暂停-打印”策略，制备了二维码、拉伸主导晶格和弯曲主导晶格等异质结构，界面结合稳定。这种几何自由度是传统模塑法无法企及的。
SLM基水凝胶的光固化打印
基于优异的力学性能和结构可设计性，研究团队系统比较了四种泊松比结构对传感性能的影响（图4）。结果表明，晶格结构水凝胶表现出最高的灵敏度（在200%-600%应变区间GF达7.52），检测范围覆盖0.05%至600%，且加载-卸载曲线几乎重合，电滞后极低。在0.25、0.5和1 Hz动态拉伸下响应频率不依赖，1000次循环后信号稳定。该传感器还能精准识别语音指令以及多种人体生理运动，综合性能优于近期报道的大多数3D打印水凝胶传感器。
液态金属优异的光热转换特性赋予水凝胶“第四维”—时间响应。如图5所示，PNIPAM-SLM水凝胶在808 nm近红外激光照射下（0.5 W/cm²，60秒）体积收缩至原体积的51%，冷却后恢复原状。通过设计多材料结构（上层响应性PNIPAM-SLM，下层非响应性PAM），可实现定向弯曲变形。更巧妙的是，研究人员利用DLP技术在不同区域打印微结构（纵向线条、无结构、横向线条），实现了响应速度的大范围调控（从1/3倍到1.6倍）。基于此，团队展示了近红外控制的软体抓手、柔性超级电容器的远程光热调控以及交叉电路LED开关。
4D打印多材料水凝胶的光热效应
传统单通道光学加密易被破解，信息存储能力有限。研究团队设计了上层PAM-SLM、下层PAM的双层结构。在近红外照射下，上层SLM水凝胶迅速升温而不会变形，通过红外热像仪可清晰读出16个八进制密码（编码“1”区域温度升高，编码“0”区域温度不变）。该加密模式利用热学通道替代传统光学通道，显著提升了信息存储密度和防破解能力。
总结：研究人员开发的海藻酸钠包覆策略具有高度普适性，已成功应用于HEA、NIPAM、HEA/NIPAM、AM/PAAS等多种单体体系，均能获得稳定的光固化墨水和高精度三维结构。这一技术突破了液态金属柔性器件在几何自由度、制造精度和功能集成方面的瓶颈，为可穿戴应变传感器、智能软体机器人、远程光控开关、高安全级防伪系统以及4D可编程器件提供了全新的制造范式。未来，该技术有望进一步拓展至生物电子接口、可重构智能表面以及自供能传感网络等前沿领域，推动个性化柔性电子器件的快速发展。
原文链接：http://doi.org/10.1002/adma.73495
