【儀表網(wǎng) 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(jié)構(gòu)設(shè)計，突破材料的性能限制，實現(xiàn)金屬和高分子材料有機(jī)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(wǎng)絡(luò)中。因其結(jié)構(gòu)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(dǎo)率)與高分子材料的獨特優(yōu)勢(如優(yōu)異柔彈性)有機(jī)結(jié)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(dǎo)電彈性體在軟體機(jī)器人等重大新興領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。理想的導(dǎo)電彈性體需同時具備10^6 S/m的金屬級電導(dǎo)率以有效降低器件內(nèi)阻，并能在經(jīng)歷百萬次拉伸循環(huán)后依然保持性能穩(wěn)定，以滿足應(yīng)用場景的需求。這對現(xiàn)有導(dǎo)電彈性體材料構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。目前主流策略是將導(dǎo)電填料摻入高分子基體形成復(fù)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(zhì)中隨機(jī)遷移，導(dǎo)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(fù)形變過程中則容易在高分子基體中發(fā)生聚集或從內(nèi)部泄漏，造成電導(dǎo)率大幅波動。
 

　　研究團(tuán)隊從彈性水凝膠的結(jié)構(gòu)中獲得啟發(fā)，設(shè)計開發(fā)出一種新型金屬凝膠，聚氨酯網(wǎng)絡(luò)能夠與液態(tài)金屬產(chǎn)生靜電相互作用，從而將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93.60%的金屬流體以連續(xù)貫通的結(jié)構(gòu)填充固定在三維高分子網(wǎng)絡(luò)中(圖2)。富含動態(tài)可逆結(jié)構(gòu)的三維高分子網(wǎng)絡(luò)為循環(huán)拉伸提供了穩(wěn)定耐用的力學(xué)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(wǎng)絡(luò)同步變形，從而使液態(tài)金屬連續(xù)體在反復(fù)變形下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
 

圖2. 金屬凝膠的組成和結(jié)構(gòu)
 

　　這種獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得金屬凝膠具備了金屬般的電學(xué)性能與橡膠般的力學(xué)性能(圖3)。其中，平均電子電導(dǎo)率高達(dá)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(dá)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(jīng)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(xué)性能，電阻變化僅為3.3%。
 

圖3. 金屬凝膠的電學(xué)、力學(xué)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(dǎo)率的同時，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性——能夠在100%拉伸變形下承受高達(dá)百萬量級的循環(huán)負(fù)載而保持穩(wěn)定，這一性能指標(biāo)遠(yuǎn)超常規(guī)金屬材料的承受能力。與現(xiàn)有導(dǎo)電復(fù)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(dá)100萬次級別)，還表現(xiàn)出優(yōu)異的電導(dǎo)率和電性能穩(wěn)定性——即使在經(jīng)歷極端反復(fù)拉伸后，其金屬級電導(dǎo)率仍能保持近乎恒定。這種機(jī)械耐久性與電性能穩(wěn)定性的結(jié)合，為軟體機(jī)器人、生物電子等前沿應(yīng)用領(lǐng)域提供材料基礎(chǔ)。
 

圖4. 金屬凝膠的性能與現(xiàn)有材料體系的對比
 

　　研究團(tuán)隊通過系統(tǒng)表征揭示了金屬凝膠優(yōu)異性能與其結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)優(yōu)異的力學(xué)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(tuán)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(guān)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(fù)循環(huán)拉伸過程中保持結(jié)構(gòu)完整性。
 

　　對照實驗進(jìn)一步驗證了這一結(jié)論——缺失任何一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素都會導(dǎo)致材料性能顯著下降。這些結(jié)果共同證明，彈性高分子網(wǎng)絡(luò)通過靜電相互作用固定液態(tài)金屬連續(xù)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)優(yōu)異電學(xué)和力學(xué)性能的根本機(jī)制。
 

　　相關(guān)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(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省創(chuàng)新人才創(chuàng)業(yè)計劃等項目的支持。