本文属于类型a，为单项原创研究。以下为根据该论文撰写的学术报告。

本研究由南开大学材料科学与工程学院、南开大学先进交叉学科研究院、南开大学半导体激光国家重点实验室及天津师范大学物理与材料科学学院的杨振华、赵英涛、王超鹏等研究人员，联合浙江大学超重力科学与技术研究院、浙江大学软土与环境土工教育部重点实验室的赵哲辉、梁冠文、陈云敏、付浩然等合作者共同完成。通讯作者为付浩然（浙江大学）与朱健（南开大学）。该论文以“Nanohelical permeable electronics with strain-insensitive performance”为题，发表在 Nature Communications 上，于2026年2月18日投稿，2026年9月7日被接收，目前以article in press形式在线发表。

本研究的核心科学领域为可拉伸电子学与皮肤共形电子器件。随着人机共生与健康监测需求的快速增长，能够在皮肤表面长期稳定工作并同时保持透气透湿性的电子材料成为关键挑战。皮肤本身具有可变形性和持续出汗的特点，传统可拉伸电子材料往往无法同时兼顾透气性、机械柔顺性和应变不敏感的电学性能。已有的无机电子材料虽然具有优异的电荷传输性能，但其刚性本质导致在拉伸条件下易断裂；而有机电子材料虽具有柔性，但其电导率和载流子迁移率相对较低，且电阻通常对应变敏感。现有几何工程策略如蛇形、剪纸或褶皱结构可以在一定程度上降低应变，但蛇形和剪纸结构往往占用大量空间，褶皱结构则因局域应力集中而拉伸性有限，且在上述结构中，应变与电导性能仍然强烈耦合。因此，如何在不牺牲透气性和贴合性的前提下，实现多种电子材料在大形变下仍保持电阻几乎不变，是该领域亟待解决的核心问题。本研究旨在发展一种不依赖材料本征柔性的通用策略，通过几何结构设计同时实现高拉伸性、高透气性和应变不敏感的电学性能。

研究团队提出了一种利用预拉伸静电纺丝纳米纤维通过失配应变驱动的屈曲过程来制备三维螺旋（纳米螺旋）结构的方法。具体流程包括：首先将热塑性聚氨酯（TPU）溶解在二甲基甲酰胺/四氢呋喃混合溶剂中，通过静电纺丝制备准直或随机取向的纳米纤维网络。将纤维网络预拉伸至100%应变后，在纤维表面通过热蒸发沉积金属或半导体等功能材料。由于热沉积的方向性，功能材料优先覆盖在TPU纳米纤维的一侧，形成月牙形截面。当释放预应变后，由于功能涂层与TPU基底之间显著的模量失配以及不对称截面引入的偏心力矩，纤维发生受控屈曲，形成沿单根纤维交替手性、并由翻转点（perversion）连接的螺旋结构。该策略适用于多种金属（Ag、Au、Cu、Al、Cr、Ga）和半导体（Te、CuPc、并五苯、红荧烯），并且对连续涂层具有较强要求，因为只有连续壳层才能提供驱动螺旋屈曲所需的界面应力失配。此外，研究团队开发了基于高速旋转滚筒的规模化制备方法，利用滚筒转速控制纤维中储存的残余应变，从而无需额外预拉伸步骤即可直接沉积材料并释放形成螺旋，成功制备了5 cm×15 cm的大面积纳米螺旋网络。

在螺旋形成机理方面，研究者系统考察了纤维直径、涂层厚度和涂层材料的杨氏模量对螺旋直径（dh）和螺距（ph）的影响。实验表明，dh主要由TPU纳米纤维直径决定，且对沉积材料的模量和涂层厚度不敏感；而ph则随涂层刚度和厚度增加而增大。为解释该几何演化，团队建立了针对半涂层纤维几何结构的半解析标度模型，将释放的失配应变转化为等效自然曲率，并通过弯曲–扭转耦合的能量最小化预测dh和ph。该模型与有限元分析（FEA）结果和实验数据吻合良好。FEA还揭示了在预拉伸100%条件下，平面双层膜上的50 nm Ag层在褶皱形成过程中最大应变可达13%并导致断裂，而纳米螺旋结构中最大应变低于5%，说明螺旋结构通过三维几何重新配置而非材料本征拉伸来容纳宏观形变，从而实现纳米尺度上的电学–力学解耦。

在物理性能方面，纳米螺旋网络（NHNs）具有极低的面质量密度（0.06 g cm⁻²）和高透湿性，水蒸发速率与开放容器相当。50 nm Ag涂层的对准与随机NHNs在550 nm处光学透过率分别为81.5%和80.5%，方块电阻分别为13.5±1.6 Ω/sq和52±2.3 Ω/sq。更重要的是，对准NHNs在平行和垂直方向分别可在98%和89%应变下保持电阻几乎不变（δR/R₀≈0.035和0.06），随机NHNs在110%应变下δR/R₀≈0.025，而未经螺旋化的对照纳米纤维网络在7%–15%应变下即发生显著电阻增加。在50%应变下循环200次后，各NHNs的每循环电阻变化分别仅为0.06%、0.02%和0.001%。10,000次加载循环后仍保持稳定。此外，NHNs还展现出良好的耐摩擦、耐水洗和皮肤贴合稳定性。

基于这些性能，研究团队演示了多种器件应用：干态表皮电极在出汗条件下仍能保持甚至提高ECG和EMG信号质量，其皮肤–电极接触阻抗低于商用凝胶电极，且长时间佩戴无明显红斑；由图案化Ag-NHNs作为上下电极、ZnS/Ecoflex复合层作为发光层的可拉伸电致发光显示器，在100%双轴拉伸下仍保持约95%的发光亮度；可拉伸LED电路在100%拉伸和皮肤贴附压缩/拉伸变形下稳定工作；基于Ag-NHNs电极和TPU/离子液体介电层的电容式压力传感器和温度传感器，在0–35 kPa范围内灵敏度为34.6 pF/kPa，温度灵敏度为12% °C⁻¹，且在50%拉伸下灵敏度保持率分别达到0.99和基本不变；以Au-NHNs为电极、Te-NHNs为光敏沟道的光电探测器，在50%应变下光电流几乎不变，响应时间（上升130 ms，下降260 ms）优于多数已报道的Te纳米线光电探测器。

本研究的核心创新在于提出了一种材料普适的纳米螺旋结构构筑策略，将预拉伸电纺纤维与热沉积不对称涂层结合，通过失配应变驱动的全局屈曲形成三维螺旋，从而在多种电子材料体系中同时实现高可拉伸性、高透气性和应变不敏感的电学性能。与已有依赖材料本征柔顺性或蛇形/褶皱几何的方法相比，该策略不要求特殊材料组合，具有优异的可扩展性和器件兼容性。其科学意义在于阐明了半涂层纤维的弯曲–扭转耦合失稳机制，并建立了可预测螺旋几何的标度模型；其应用价值在于为透气、贴合且可长期佩戴的柔性电子皮肤提供了通用且可规模化的材料平台。该工作的重要亮点包括：连续涂层驱动螺旋形成的新型屈曲机理、基于旋转滚筒的免预拉伸规模化制备、以及在导体、电极、互联线、显示器和多种传感器中同步实现的应变不敏感性能。这些结果为设计柔性生物界面和可穿戴健康监测系统提供了新的几何工程范式。