科学岛团队在多功能液态金属水凝胶方面取得新进展

近期，中科院合肥物质院固体所高分子与复合材料研究部田兴友和张献研究员团队联合郑州大学杨艳宇副教授等，利用镓铟合金( EGaIn)引发聚合，并作为柔性填料，构建了一种可用于人机交互和红外伪装的超拉伸、自愈合的 LM/PVA/P(AAm-co-SMA)双网络水凝胶。相关结果发表在 Materials Horizons 上。
 
　　水凝胶是一种具有三维网络结构的软材料，通过引入离子、导电聚合物和导电填料，可获得导电水凝胶。但是，由于导电聚合物共轭结构的固有刚性、导电填料与水凝胶基体的不相容性，以及盐析效应，目前大多数导电水凝胶的机械性能较差，如韧性低、抗拉强度低、自恢复和自愈合性能不理想，大大限制了水凝胶的应用领域。
 
　　镓铟合金(EGaIn)作为一种熔点接近或低于室温的液态金属(LM)，可以通过超声波分散制备成EGaIn微球，用作纳米填料。与其他刚性纳米填料不同，它们可以适应聚合物基体的变形，从而有效地增韧聚合物。此外，EGaIn中的镓(Ga)可以引发乙烯基单体发生自由基聚合。Ga3+能够与羧基、羟基进行配位，形成动态牺牲键，用于耗散能量。因此，镓基液态金属具有改善聚合物基体机械性能的潜力。
 
　　鉴于此，研究人员利用镓铟合金( EGaIn)引发聚合，同时作为柔性填料，构建了一种超拉伸和自愈合的 LM/PVA/P(AAm-co-SMA)双网络水凝胶。刚性的 PVA微晶网络和韧性的 P(AAm-co-SMA)疏水网络的协同作用，以及聚合物网络之间的离子配位和氢键(多重物理交联)，赋予了 LM水凝胶优异的超拉伸性( 2000%)、韧性( 3.00 MJ/ m3)、抗缺口性和自愈性(室温 24 h愈合效率大于 99%)。 LM水凝胶表现出敏感的应变感应行为，可用于人机互动以实现运动识别和健康监测。另外由于 EGaIn具有良好的光热效应和低红外发射率， LM水凝胶在红外伪装方面显示出巨大的应用潜力。
 
　　合肥物质院张献研究员和郑州大学杨艳宇副教授为文章的共同通讯作者，硕士生李宵飞为论文第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金、合肥物质院院长基金的支持。

图 1. 液态金属水凝胶的机械性能表征。

图 2. (a) 压力传感器的原理图； (b, c) 在压力传感器上写 "CAS " 和 "USTC " 时的电阻变化； (d) 人机交互系统的示意图； (e) 戴着人机交互手套的志愿者打开他的手指， LED 屏幕显示数字 "5" ； (f) LM 水凝胶制备的人机交互手套根据志愿者手指的弯曲情况显示数字。