【儀表網 研發(fā)快訊】傳統(tǒng)金屬和高分子材料各自具有獨特的優(yōu)異性能，但由于其固有特性的沖突，長期以來兩者的優(yōu)勢難以在單一材料中實現(xiàn)。能否通過有效的結構設計，突破材料的性能限制，實現(xiàn)金屬和高分子材料有機融合，從而充分實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢？
 

　　針對上述問題，張曄課題組創(chuàng)制了一類新的材料體系——“金屬凝膠”。該材料以液態(tài)金屬為流動相，通過彈性聚氨酯高分子與液態(tài)金屬之間的靜電相互作用，將金屬流體連續(xù)且穩(wěn)定地固定在交聯(lián)的三維高分子網絡中。因其結構特征符合凝膠材料的定義，故命名為“金屬凝膠”(圖1)。該體系巧妙地將金屬材料的優(yōu)異性能(如高電導率)與高分子材料的獨特優(yōu)勢(如優(yōu)異柔彈性)有機結合，突破了傳統(tǒng)材料的性能邊界。
 

圖1. 金屬凝膠的實物圖
 

　　導電彈性體在軟體機器人等重大新興領域中發(fā)揮至關重要的作用。理想的導電彈性體需同時具備10^6 S/m的金屬級電導率以有效降低器件內阻，并能在經歷百萬次拉伸循環(huán)后依然保持性能穩(wěn)定，以滿足應用場景的需求。這對現(xiàn)有導電彈性體材料構成了巨大挑戰(zhàn)。目前主流策略是將導電填料摻入高分子基體形成復合材料，但存在明顯問題：剛性填料(如金、銀納米線)在拉伸過程中傾向于在高分子基質中隨機遷移，導致循環(huán)拉伸后電阻顯著增加；而柔性填料(如鎵基液態(tài)金屬)在反復形變過程中則容易在高分子基體中發(fā)生聚集或從內部泄漏，造成電導率大幅波動。
 

　　研究團隊從彈性水凝膠的結構中獲得啟發(fā)，設計開發(fā)出一種新型金屬凝膠，聚氨酯網絡能夠與液態(tài)金屬產生靜電相互作用，從而將質量分數(shù)為93.60%的金屬流體以連續(xù)貫通的結構填充固定在三維高分子網絡中(圖2)。富含動態(tài)可逆結構的三維高分子網絡為循環(huán)拉伸提供了穩(wěn)定耐用的力學支撐，靜電相互作用作為“錨點”使液態(tài)金屬連續(xù)體能夠與高分子網絡同步變形，從而使液態(tài)金屬連續(xù)體在反復變形下保持結構穩(wěn)定。
 

圖2. 金屬凝膠的組成和結構
 

　　這種獨特的結構設計使得金屬凝膠具備了金屬般的電學性能與橡膠般的力學性能(圖3)。其中，平均電子電導率高達3 × 106 S·m?1，與傳統(tǒng)金屬在同一數(shù)量級。單軸拉伸量最大可達1100%，具有與生物軟組織匹配的楊氏模量(264 kPa)，且較高的韌性(10.07 MJ?m −3)。更重要的是，經過100萬次100%拉伸量的極端循環(huán)拉伸測試后，金屬凝膠表現(xiàn)出穩(wěn)定的電學性能，電阻變化僅為3.3%。
 

圖3. 金屬凝膠的電學、力學和力電耦合性能
 

　　金屬凝膠的優(yōu)異性能突破了傳統(tǒng)材料的性能邊界(圖4)。與金屬材料相比，該凝膠在保持可比電導率的同時，展現(xiàn)出優(yōu)異的機械耐久性——能夠在100%拉伸變形下承受高達百萬量級的循環(huán)負載而保持穩(wěn)定，這一性能指標遠超常規(guī)金屬材料的承受能力。與現(xiàn)有導電復合材料相比，金屬凝膠不僅具有前所未有的超長循環(huán)壽命(可達100萬次級別)，還表現(xiàn)出優(yōu)異的電導率和電性能穩(wěn)定性——即使在經歷極端反復拉伸后，其金屬級電導率仍能保持近乎恒定。這種機械耐久性與電性能穩(wěn)定性的結合，為軟體機器人、生物電子等前沿應用領域提供材料基礎。
 

圖4. 金屬凝膠的性能與現(xiàn)有材料體系的對比
 

　　研究團隊通過系統(tǒng)表征揭示了金屬凝膠優(yōu)異性能與其結構設計之間的內在聯(lián)系。二維廣角X射線散射與變溫傅里葉變換紅外光譜表明，動態(tài)氫鍵與高分子鏈的可逆取向行為共同賦予了高分子網絡優(yōu)異的力學性能。通過對比循環(huán)拉伸前后羰基紅外光譜特征峰的偏移值，研究團隊發(fā)現(xiàn)金屬凝膠中的靜電相互作用在整個變形過程中始終保持穩(wěn)定，發(fā)揮著分子錨點的關鍵作用。同時，掃描電子顯微鏡的橫截面照片也證明，液態(tài)金屬連續(xù)體在反復循環(huán)拉伸過程中保持結構完整性。
 

　　對照實驗進一步驗證了這一結論——缺失任何一個關鍵結構因素都會導致材料性能顯著下降。這些結果共同證明，彈性高分子網絡通過靜電相互作用固定液態(tài)金屬連續(xù)體的結構設計是實現(xiàn)優(yōu)異電學和力學性能的根本機制。
 

　　相關成果以A Durable Metalgel Maintaining 3×106 S?m?1 Conductivity Under 1,000,000 Stretching Cycles為題發(fā)表在Advanced Materials上。南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院博士生李旭嵩、王嘉誠為該論文的共同第一作者，張曄副教授為論文的通訊作者。本工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省創(chuàng)新人才創(chuàng)業(yè)計劃等項目的支持。