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(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種優(yōu)異特性,仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
近日,南京大學(xué)張曄課題組設(shè)計(jì)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(jí)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(shí)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(jí),顯著高于其他導(dǎo)電凝膠材料。同時(shí),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(shí)現(xiàn)金屬凝膠獨(dú)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(duì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)合原子力顯微鏡的力譜分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)不同的靜電相互作用會(huì)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(huì)導(dǎo)致嵌入凝膠中的液態(tài)金屬相連續(xù)穩(wěn)定,從而實(shí)現(xiàn)金屬級(jí)的電導(dǎo)率,與此同時(shí),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(dú)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(shí)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(dòng),連續(xù)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)腸道電信號(hào)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(shì)。
(1)這項(xiàng)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(jí)三維高分子網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)計(jì)制備了一類全新的凝膠材料:金屬凝膠。這項(xiàng)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(dú)特的電學(xué)和力學(xué)性能,填補(bǔ)了兼具金屬級(jí)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(shì)。
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(chéng)、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(guó)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(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
文章鏈接:
https://doi.org/10.1002/adma.202409137
【圖文解讀】
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(duì)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
本文內(nèi)容來源:
https://www.nju.edu.cn/info/1067/391361.htm
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“南京大學(xué)張曄課題組Adv.Mater.:新型凝膠材料:金屬凝膠” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究,如用于商業(yè)用途,請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)