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仪表网 研发快讯】凝胶材料是一类半固体材料，其中流体被固定填充在三维高分子网络中。流体占据了凝胶的主体体积，决定了凝胶的性质。目前已开发的凝胶体系有水凝胶、有机凝胶、离子液态凝胶和气凝胶等，探索新型流体对于解锁凝胶新性能至关重要。
兼具高导电性和柔韧性的材料一直是迫切需求，尤其是在生物电子学和可穿戴技术等快速发展的新兴领域中。传统材料通常只能提供导电性(如金属)或柔韧性(如高分子)，而要在同一种材料中同时实现这两种优异特性，仍然是一项挑战。
近日，南京大学张晔课题组设计制备了一种金属凝胶的新材料，液态金属作为流体，首次引入到凝胶材料中，通过静电相互作用固定填充在相互连接的纳米级高分子网络中，其中液态金属在凝胶中占据96.83%的质量分数和92.40%的体积分数(图1)。
金属凝胶是通过流体置换的策略实现，该方法具有良好的普适性，不同的液态金属(包括镓，镓铟合金和镓铟锡合金等)和不同的高分子(ι-卡拉胶，海藻酸钠，透明质酸等)都可以成功制备金属凝胶。
金属流体的引入为金属凝胶带来了前所未有的新性能(图2)。电子电导率高达3.18 × 106 S·m?1，与传统金属在同一数量级，显著高于其他导电凝胶材料。同时，杨氏模量低至70 kPa，与人体软组织的模量相匹配。此外，金属凝胶还展示出优异的稳定性，一辆4.5吨重的卡车从金属凝胶样品上碾过，依然可以保持其结构和性能，电阻仅增加了9%。在经历10,000次的反复弯曲、拉伸和扭转等变形下，电阻基本保持不变。
实现金属凝胶独特结构和优异性能的关键是液态金属与聚合物网络之间的相互作用(图3)。研究团队通过调整聚合物侧链上极性基团来改变静电相互作用，通过对比实验结合原子力
显微镜的力谱分析和分子动力学模拟发现不同的静电相互作用会显著影响金属凝胶的形成及性能的稳定。增强的相互作用会导致嵌入凝胶中的液态金属相连续稳定，从而实现金属级的电导率，与此同时，金属凝胶中的静电相互作用还使其在不同环境中具有优异的稳定性，承受各种复杂变形而不发生泄露，在空气、水和高湿度条件下保持稳定。
金属凝胶的独特结构和性质使其成为生物电子器件，尤其是植入式电极的理想选择(图4)。金属凝胶在被用作坐骨神经电刺激电极时表现出优异的刺激性能和生物相容性。此外，金属凝胶可以适应更复杂器官如肠道的应用需求，能够紧密贴合不规则肠道表面并跟随蠕动，连续准确地监测肠道电信号和离子浓度。此外，金属凝胶在电磁干扰屏蔽和气密性封装应用领域也展现广阔的前景。因其特殊的结构，金属凝胶能够在100%应变范围内保持稳定的电磁屏蔽效能和气体屏蔽性能，显示出巨大的应用优势。
(1)这项工作首次将金属流体引入凝胶体系，通过静电相互作用固定到相互连接的纳米级三维高分子网络中，设计制备了一类全新的凝胶材料：金属凝胶。这项研究拓展了凝胶材料的范围，并建立了一种将不相容流体整合到高分子网络中的突破性方法。
(2)金属凝胶具有独特的电学和力学性能，填补了兼具金属级电导率和优异柔韧性的材料空白。在生物电子、高性能软屏蔽封装等领域展示了巨大的应用优势。
相关成果以A Metalgel with Liquid Metal Continuum Immobilized in Polymer Network为题发表在Advanced Materials上。南京大学现代工程与应用科学学院博士生王嘉诚、叶婷婷和博士后焦一丁为该论文的共同第一作者，张晔副教授为论文的通讯作者。中科院温州研究所任卫同和南京大学物理学院博士后李一然为该研究的重要合作者。该研究工作还得到南京大学李文飞教授和曹毅教授的大力支持与帮助。本工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省创新人才创业计划等项目的支持。
图1. 金属凝胶的组成和结构表征
图2. 金属凝胶的电学、力学性能和稳定性
图3. 静电相互作用力对金属凝胶的形成及稳定性的影响
图4. 金属凝胶在生物电子中的应用
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