科學(xué)島團隊在多功能液態(tài)金屬水凝膠方面取得新進(jìn)展
近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所高分子與復合材料研究部田興友和張獻研究員團隊聯(lián)合鄭州大學(xué)楊艷宇副教授等，利用鎵銦合金（ EGaIn）引發(fā)聚合，并作為柔性填料，構建了一種可用于人機交互和紅外偽裝的超拉伸、自愈合的 LM/PVA/P(AAm-co-SMA)雙網(wǎng)絡(luò )水凝膠。相關(guān)結果發(fā)表在 Materials Horizons 上。
水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò )結構的軟材料，通過(guò)引入離子、導電聚合物和導電填料，可獲得導電水凝膠。但是，由于導電聚合物共軛結構的固有剛性、導電填料與水凝膠基體的不相容性，以及鹽析效應，目前大多數導電水凝膠的機械性能較差，如韌性低、抗拉強度低、自恢復和自愈合性能不理想，大大限制了水凝膠的應用領(lǐng)域。
鎵銦合金（EGaIn）作為一種熔點(diǎn)接近或低于室溫的液態(tài)金屬（LM），可以通過(guò)超聲波分散制備成EGaIn微球，用作納米填料。與其他剛性納米填料不同，它們可以適應聚合物基體的變形，從而有效地增韌聚合物。此外，EGaIn中的鎵（Ga）可以引發(fā)乙烯基單體發(fā)生自由基聚合。Ga3+能夠與羧基、羥基進(jìn)行配位，形成動(dòng)態(tài)犧牲鍵，用于耗散能量。因此，鎵基液態(tài)金屬具有改善聚合物基體機械性能的潛力。
鑒于此，研究人員利用鎵銦合金（ EGaIn）引發(fā)聚合，同時(shí)作為柔性填料，構建了一種超拉伸和自愈合的 LM/PVA/P(AAm-co-SMA)雙網(wǎng)絡(luò )水凝膠。剛性的 PVA微晶網(wǎng)絡(luò )和韌性的 P(AAm-co-SMA)疏水網(wǎng)絡(luò )的協(xié)同作用，以及聚合物網(wǎng)絡(luò )之間的離子配位和氫鍵（多重物理交聯(lián)），賦予了 LM水凝膠優(yōu)異的超拉伸性（ 2000%）、韌性（ 3.00 MJ/ m3）、抗缺口性和自愈性（室溫 24 h愈合效率大于 99%）。 LM水凝膠表現出敏感的應變感應行為，可用于人機互動(dòng)以實(shí)現運動(dòng)識別和健康監測。另外由于 EGaIn具有良好的光熱效應和低紅外發(fā)射率， LM水凝膠在紅外偽裝方面顯示出巨大的應用潛力。
合肥物質(zhì)院張獻研究員和鄭州大學(xué)楊艷宇副教授為文章的共同通訊作者，碩士生李宵飛為論文第一作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金的支持。
圖 1. 液態(tài)金屬水凝膠的機械性能表征。
圖 2. (a) 壓力傳感器的原理圖； (b, c) 在壓力傳感器上寫(xiě) "CAS " 和 "USTC " 時(shí)的電阻變化； (d) 人機交互系統的示意圖； (e) 戴著(zhù)人機交互手套的志愿者打開(kāi)他的手指， LED 屏幕顯示數字 "5" ； (f) LM 水凝膠制備的人機交互手套根據志愿者手指的彎曲情況顯示數字。
