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  近年來，液態(tài)金屬-聚合物復合彈性體由于其優(yōu)異的柔韌性、導電性、導熱性及機械耐受性，廣泛應用于柔性可穿戴電子、智能機器人、熱工程管理和電磁屏蔽等領域。得益于液態(tài)金屬在室溫環(huán)境中可調節(jié)的相變過程，基于液態(tài)金屬的智能導電彈性體有著突出的研究前景和價值。

  基于此，湖南大學化學化工學院吳英鵬教授團隊利用一種由內而外的方法一步構建輕質導電液態(tài)金屬智能彈性泡沫（EMLM foam）（圖1）。基于可逆剛度控制、輕量化、導電性和機械穩(wěn)定性等特點，EMLM泡沫在可調諧聲學、能量吸收、熱驅動修復等不同領域均表現(xiàn)出優(yōu)異性能（圖5）。

  該工作將膨脹微球（EM）與液態(tài)金屬（LM）通過簡單的機械復合即可得到分散均勻的EMLM 前驅體（圖1c,1d），在受熱條件下EM體積膨脹擠壓LM流動填充于EM之間的縫隙，與此同時，EM之間也發(fā)生塑化形成聚合物泡沫，從而實現(xiàn)一步構建金屬-聚合物雙連續(xù)三維網(wǎng)絡骨架（圖1e）。僅需3vol% LM便可構建超輕質液態(tài)金屬導電彈性體（密度<0.3g/cm³，4vol% LM電導率可達3.8x10⁴S/m），優(yōu)于大部分已報道液態(tài)金屬彈性體（圖1h）。該方法不僅簡單環(huán)保，而且解決了由于液態(tài)金屬比表面張力大和密度大，造成的復合彈性體難以導電（通常需要機械燒結，表面改性等額外技術實現(xiàn)導電）和過量金屬使用（導致資源過度消耗且器件質量增大）等問題。

  進一步，他們通過自行設計并搭建了力-電阻原位測試裝置，系統(tǒng)的探究了微球膨脹力產(chǎn)生的內部機械燒結力和液態(tài)金屬含量對EMLM 泡沫導電性和機械力學性能的影響（圖2）。并首次通過有限元模擬闡釋了液態(tài)金屬在微球膨脹擠壓下，形成三維導電網(wǎng)絡的過程，利用3D-CT技術證實該三維金屬導電網(wǎng)絡的均勻性（圖3）。選擇合適金屬（鎵，伍德合金，菲爾德合金等）可獲得多種EMLM 泡沫，通過調節(jié)溫度實現(xiàn)泡沫的剛性可調和形狀記憶功能（圖4）。基于金屬-聚合物穩(wěn)定的雙連續(xù)三維結構和金屬相變的特性，該泡沫在多領域表現(xiàn)出優(yōu)異性能：1）控制泡沫金屬骨架固液相轉變實現(xiàn)其在聲學可逆調控；2）加熱驅動泡沫膨脹實現(xiàn)電路的快速緊急修復；3）填充于中空管道實現(xiàn)機械性能增強和能量吸收（圖5）。該工作以“Lightweight Liquid Metal-Elastomer Foam with Smart Multi-Function” 為題發(fā)表在 Advanced Functional Materials （Adv. Funct. Mater. 2022, 2205167）上。文章第一作者是湖南大學19級博士楊鵬坤和20級碩士李鑫洋，通訊作者為黃璐副教授和吳英鵬教授。

圖5. EMGa泡沫具有可調諧聲、熱驅動修復和能量吸收的特性。a) EMGa泡沫可調諧聲學示意圖。b)不同泡沫(樣品厚度為5mm，直徑為44 mm)下不同頻率的隔聲量。c)金屬相變下的隔聲量循環(huán)(金屬相變過程:液-固-液-固)。d) EMLM復合粉末熱驅動自愈合示意圖。e) EMLM復合粉末修復電路光學圖像(左圖:電路損壞;右圖:修復電路;下圖:修復后的電路正常運行，比例尺:2cm)。f)作為補強填料的雙骨架EMGa泡沫增強空心材料力學性能示意圖。g)不同填充鋼管的荷載-位移曲線。h)不同填充鋼管的沖擊試驗光學圖像(比例尺:1 cm)。

  原文鏈接：

  Peng-kun Yang⁺, Xin-yang Li⁺, Xiao-ying Yang, Guan-wu Li, Zi-juan Hu, Lu Huang*, Ying-peng Wu*, Lightweight Liquid Metal-Elastomer Foam with Smart Multi-Function, Adv. Funct. Mater. 2022, 2205167

  https://doi.org/10.1002/adfm.202205167

課題組簡介

  吳英鵬教授課題組隸屬于湖南大學化學化工學院、化學生物傳感與計量學國家重點實驗室。現(xiàn)有教授1人，副教授1人，助理教授1人，博士碩士研究生20余名。課題組負責人吳英鵬教授為湖南大學化學化工學院化學系主任、博士生導師、湖南大學岳麓學者、湖湘高層次人才聚集工程創(chuàng)新人才、國家高層次人才計劃。近年來，發(fā)表論文50余篇，累計引用超過8500次，h因子32。其中第一作者/通訊作者論文包括：Nature, Nature Photonics, Nature Communications, Cell Reports Physical Science, Energy & Environmental Science, Advanced Material, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Nano等國際著名雜志。課題組研究工作主要圍繞能量的存儲與轉化展開，主要包括：1）液態(tài)金屬；2）電化學儲能（電池、超級電容器）與換能器件（電催化、摩擦發(fā)電機等）；3）納米材料。