【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】凝膠材料是一類半固體材料，其中流體被固定填充在三維高分子網(wǎng)絡中。流體占據(jù)了凝膠的主體體積，決定了凝膠的性質(zhì)。目前已開發(fā)的凝膠體系有水凝膠、有機凝膠、離子液態(tài)凝膠和氣凝膠等，探索新型流體對于解鎖凝膠新性能至關重要。
兼具高導電性和柔韌性的材料一直是迫切需求，尤其是在生物電子學和可穿戴技術等快速發(fā)展的新興領域中。傳統(tǒng)材料通常只能提供導電性(如金屬)或柔韌性(如高分子)，而要在同一種材料中同時實現(xiàn)這兩種優(yōu)異特性，仍然是一項挑戰(zhàn)。
近日，南京大學張曄課題組設計制備了一種金屬凝膠的新材料，液態(tài)金屬作為流體，首次引入到凝膠材料中，通過靜電相互作用固定填充在相互連接的納米級高分子網(wǎng)絡中，其中液態(tài)金屬在凝膠中占據(jù)96.83%的質(zhì)量分數(shù)和92.40%的體積分數(shù)(圖1)。
金屬凝膠是通過流體置換的策略實現(xiàn)，該方法具有良好的普適性，不同的液態(tài)金屬(包括鎵，鎵銦合金和鎵銦錫合金等)和不同的高分子(ι-卡拉膠，海藻酸鈉，透明質(zhì)酸等)都可以成功制備金屬凝膠。
金屬流體的引入為金屬凝膠帶來了前所未有的新性能(圖2)。電子電導率高達3.18 × 106 S·m?1，與傳統(tǒng)金屬在同一數(shù)量級，顯著高于其他導電凝膠材料。同時，楊氏模量低至70 kPa，與人體軟組織的模量相匹配。此外，金屬凝膠還展示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，一輛4.5噸重的卡車從金屬凝膠樣品上碾過，依然可以保持其結構和性能，電阻僅增加了9%。在經(jīng)歷10,000次的反復彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等變形下，電阻基本保持不變。
實現(xiàn)金屬凝膠獨特結構和優(yōu)異性能的關鍵是液態(tài)金屬與聚合物網(wǎng)絡之間的相互作用(圖3)。研究團隊通過調(diào)整聚合物側(cè)鏈上極性基團來改變靜電相互作用，通過對比實驗結合原子力顯微鏡的力譜分析和分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)不同的靜電相互作用會顯著影響金屬凝膠的形成及性能的穩(wěn)定。增強的相互作用會導致嵌入凝膠中的液態(tài)金屬相連續(xù)穩(wěn)定，從而實現(xiàn)金屬級的電導率，與此同時，金屬凝膠中的靜電相互作用還使其在不同環(huán)境中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，承受各種復雜變形而不發(fā)生泄露，在空氣、水和高濕度條件下保持穩(wěn)定。
金屬凝膠的獨特結構和性質(zhì)使其成為生物電子器件，尤其是植入式電極的理想選擇(圖4)。金屬凝膠在被用作坐骨神經(jīng)電刺激電極時表現(xiàn)出優(yōu)異的刺激性能和生物相容性。此外，金屬凝膠可以適應更復雜器官如腸道的應用需求，能夠緊密貼合不規(guī)則腸道表面并跟隨蠕動，連續(xù)準確地監(jiān)測腸道電信號和離子濃度。此外，金屬凝膠在電磁干擾屏蔽和氣密性封裝應用領域也展現(xiàn)廣闊的前景。因其特殊的結構，金屬凝膠能夠在100%應變范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的電磁屏蔽效能和氣體屏蔽性能，顯示出巨大的應用優(yōu)勢。
(1)這項工作首次將金屬流體引入凝膠體系，通過靜電相互作用固定到相互連接的納米級三維高分子網(wǎng)絡中，設計制備了一類全新的凝膠材料：金屬凝膠。這項研究拓展了凝膠材料的范圍，并建立了一種將不相容流體整合到高分子網(wǎng)絡中的突破性方法。
(2)金屬凝膠具有獨特的電學和力學性能，填補了兼具金屬級電導率和優(yōu)異柔韌性的材料空白。在生物電子、高性能軟屏蔽封裝等領域展示了巨大的應用優(yōu)勢。
相關成果以A Metalgel with Liquid Metal Continuum Immobilized in Polymer Network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王嘉誠、葉婷婷和博士后焦一丁為該論文的共同第一作者，張曄副教授為論文的通訊作者。中科院溫州研究所任衛(wèi)同和南京大學物理學院博士后李一然為該研究的重要合作者。該研究工作還得到南京大學李文飛教授和曹毅教授的大力支持與幫助。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。
圖1. 金屬凝膠的組成和結構表征
圖2. 金屬凝膠的電學、力學性能和穩(wěn)定性
圖3. 靜電相互作用力對金屬凝膠的形成及穩(wěn)定性的影響
圖4. 金屬凝膠在生物電子中的應用
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