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(luò)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(jī)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(guān)重要。
 

　　兼具高導(dǎo)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(xué)和可穿戴技術(shù)等快速發(fā)展的新興領(lǐng)域中。傳統(tǒng)材料通常只能提供導(dǎo)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(xué)張曄課題組設(shè)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(luò)中，其中液態(tài)金屬在凝膠中占據(jù)96.83%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和92.40%的體積分?jǐn)?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(dǎo)率高達(dá)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(dǎo)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(jié)構(gòu)和性能，電阻僅增加了9%。在經(jīng)歷10,000次的反復(fù)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(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的關(guān)鍵是液態(tài)金屬與聚合物網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用(圖3)。研究團(tuán)隊通過調(diào)整聚合物側(cè)鏈上極性基團(tuán)來改變靜電相互作用，通過對比實驗結(jié)合原子力顯微鏡的力譜分析和分子動力學(xué)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(qiáng)的相互作用會導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)更復(fù)雜器官如腸道的應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)用領(lǐng)域也展現(xiàn)廣闊的前景。因其特殊的結(jié)構(gòu)，金屬凝膠能夠在100%應(yīng)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(yīng)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(luò)中，設(shè)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(luò)中的突破性方法。
 

　　(2)金屬凝膠具有獨特的電學(xué)和力學(xué)性能，填補(bǔ)了兼具金屬級電導(dǎo)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(lǐng)域展示了巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。
 

　　相關(guān)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(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(xué)物理學(xué)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(xué)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(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。
 

圖1. 金屬凝膠的組成和結(jié)構(gòu)表征
 

圖2. 金屬凝膠的電學(xué)、力學(xué)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(yīng)用