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固體所在多功能液態(tài)金屬水凝膠方面取得新進(jìn)展

發(fā)布日期:2023-06-02 作者:李宵飛 瀏覽次數(shù):756

近期,中科院合肥物質(zhì)院固體所高分子與復(fù)合材料研究部田興友和張獻(xiàn)研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合鄭州大學(xué)楊艷宇副教授等,利用鎵銦合金(EGaIn)引發(fā)聚合,并作為柔性填料,構(gòu)建了一種可用于人機(jī)交互和紅外偽裝的超拉伸、自愈合的LM/PVA/P(AAm-co-SMA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。相關(guān)結(jié)果以“Self-healing liquid metal hydrogel for human–computer interaction and infrared camouflage”為題發(fā)表在Materials Horizons (Mater. Horiz., 2023, DOI: 10.1039/d3mh00341h)上。      水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟材料,通過引入離子、導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電填料,可獲得導(dǎo)電水凝膠。但是,由于導(dǎo)電聚合物共軛結(jié)構(gòu)的固有剛性、導(dǎo)電填料與水凝膠基體的不相容性,以及鹽析效應(yīng),目前大多數(shù)導(dǎo)電水凝膠的機(jī)械性能較差,如韌性低、抗拉強(qiáng)度低、自恢復(fù)和自愈合性能不理想,大大限制了水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。

鎵銦合金(EGaIn)作為一種熔點(diǎn)接近或低于室溫的液態(tài)金屬(LM),可以通過超聲波分散制備成EGaIn微球,用作納米填料。與其他剛性納米填料不同,它們可以適應(yīng)聚合物基體的變形,從而有效地增韌聚合物。此外,EGaIn中的鎵(Ga)可以引發(fā)乙烯基單體發(fā)生自由基聚合。Ga3+能夠與羧基、羥基進(jìn)行配位,形成動(dòng)態(tài)犧牲鍵,用于耗散能量。因此,鎵基液態(tài)金屬具有改善聚合物基體機(jī)械性能的潛力。      鑒于此,研究人員利用鎵銦合金(EGaIn)引發(fā)聚合,同時(shí)作為柔性填料,構(gòu)建了一種超拉伸和自愈合的LM/PVA/P(AAm-co-SMA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。剛性的PVA微晶網(wǎng)絡(luò)和韌性的P(AAm-co-SMA)疏水網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用,以及聚合物網(wǎng)絡(luò)之間的離子配位和氫鍵(多重物理交聯(lián)),賦予了LM水凝膠優(yōu)異的超拉伸性(2000%)、韌性(3.00 MJ/m3)、抗缺口性和自愈性(室溫24 h愈合效率大于99%)。LM水凝膠表現(xiàn)出敏感的應(yīng)變感應(yīng)行為,可用于人機(jī)互動(dòng)以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)識(shí)別和健康監(jiān)測。另外由于EGaIn具有良好的光熱效應(yīng)和低紅外發(fā)射率,LM水凝膠在紅外偽裝方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。      合肥物質(zhì)院張獻(xiàn)研究員和鄭州大學(xué)楊艷宇副教授為文章的共同通訊作者,碩士生李宵飛為論文第一作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長基金的支持。 

論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00341h


圖1. 液態(tài)金屬水凝膠的機(jī)械性能表征。


圖2. (a) 壓力傳感器的原理圖;(b, c) 在壓力傳感器上寫 "CAS "和 "USTC "時(shí)的電阻變化;(d) 人機(jī)交互系統(tǒng)的示意圖;(e) 戴著人機(jī)交互手套的志愿者打開他的手指,LED屏幕顯示數(shù)字 "5";(f) LM水凝膠制備的人機(jī)交互手套根據(jù)志愿者手指的彎曲情況顯示數(shù)字。