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清华大学刘静教授课题组《Adv. Funct. Mater.》:研发出轻量化液态金属材料
2020-02-20  来源:高分子科技

  传统认知中的金属都是坚硬且难以融化的,而液态金属材料打破了这一固有印象。作为室温低熔点合金材料,这类液态金属既继承了金属优良的导电性与导热性,又具有了水一样极好的流动特性。相较于有剧毒的汞,镓基合金具有难挥发、生物相容性好的特点,减少了对人类及环境的威胁,逐步在印刷电子、3D打印及柔性传感器乃至于生物医疗等方面发挥了重要作用。然而,金属本身的高密度会使器件变重,影响到能耗的同时也限制了其可使用的范围。

  近日,清华大学刘静教授课题组基于共晶镓铟合金(eGaIn)与空心玻璃微珠(Glass bubbles)材料彼此间的相容性,首次提出并制备了一系列低密度的液态金属-玻璃微珠复合物(GB-eGaIn)(图1)。这类复合物的制作流程简便,具有良好的延展性与可塑性,还具有较好的导电性,其密度可降低至原金属材料30%乃至更低,甚至可以漂浮于水面上(图2)。此外,向GB-eGaIn表面滴加少量的水即可以改变该种材料的内部结构,从而实现对其密度与电学性质的调控。基于以上特性,研究者们为该种材料设计了平面与立体两种应用场景,并配合防水封装材料以实现对该种材料的水中行为加以控制。

图1. GB-eGaIn材料示意

图2. GB-eGaIn材料的性质

  基于GB-eGaIn良好的延展性,该种材料可以被轻松的压成厚度低于1mm的薄片,且可实现卷曲、折叠等基本性质,为其通过折纸方式构成三维结构提供了可能(图3)。与普通的液态金属类似,GB-eGaIn也可以通过温度调控在柔性与刚性之间切换,实现承重功能。

图3. 平面结构的GB-eGaIn性质及应用

  得益于其低密度及薄片状结构特性,GB-eGaIn薄片可以轻松漂浮在水中(图4)。在此基础上配合以封装材料,可以通过加入少量水实现对GB-eGaIn薄片沉浮特性的改变。研究者们基于此特性制作了水面漂浮开关,成功实现了水中电路的通断调控。这种薄片在烘干后可以重复利用,其电阻在经历八次加水-烘干循环后仍可保持相对稳定。

图4. 平面GB-eGaIn在水中的性质及行为

  基于其良好的塑性特性,GB-eGaIn还可直接被塑形成立体形状,在外加防水PU膜封装后可以实现水中漂浮,为其在水面漂浮器件的应用提供了可能。这类漂浮部件可以载起达自身重量8倍的重物,并可通过对其加入水或对封装材料的破坏进行对漂浮行为的调控。研究者们通过向其上加入磁铁,实现了对其运动方向的磁性控制,在到达指定位置后通过加入水及破坏封装材料实现了悬浮及沉没。这为其未来在水面漂浮器件的制造提供了可能。

图5.立体结构GB-eGaIn在水中性质的行为

  该工作以“Lightweight Liquid Metal Entity”为题发表在Advanced Functional Materials上,论文第一作者是清华大学医学院博士研究生袁博,通讯作者为清华大学医学院生物医学工程系教授、中科院理化大发排列3研究所双聘研究员刘静教授

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709

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