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  近年來，液態(tài)金屬-聚合物復(fù)合彈性體由于其優(yōu)異的柔韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及機(jī)械耐受性，廣泛應(yīng)用于柔性可穿戴電子、智能機(jī)器人、熱工程管理和電磁屏蔽等領(lǐng)域。得益于液態(tài)金屬在室溫環(huán)境中可調(diào)節(jié)的相變過程，基于液態(tài)金屬的智能導(dǎo)電彈性體有著突出的研究前景和價值。

  基于此，湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院吳英鵬教授團(tuán)隊利用一種由內(nèi)而外的方法一步構(gòu)建輕質(zhì)導(dǎo)電液態(tài)金屬智能彈性泡沫（EMLM foam）（圖1）。基于可逆剛度控制、輕量化、導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性等特點，EMLM泡沫在可調(diào)諧聲學(xué)、能量吸收、熱驅(qū)動修復(fù)等不同領(lǐng)域均表現(xiàn)出優(yōu)異性能（圖5）。

  該工作將膨脹微球（EM）與液態(tài)金屬（LM）通過簡單的機(jī)械復(fù)合即可得到分散均勻的EMLM 前驅(qū)體（圖1c,1d），在受熱條件下EM體積膨脹擠壓LM流動填充于EM之間的縫隙，與此同時，EM之間也發(fā)生塑化形成聚合物泡沫，從而實現(xiàn)一步構(gòu)建金屬-聚合物雙連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)骨架（圖1e）。僅需3vol% LM便可構(gòu)建超輕質(zhì)液態(tài)金屬導(dǎo)電彈性體（密度<0.3g/cm³，4vol% LM電導(dǎo)率可達(dá)3.8x10⁴S/m），優(yōu)于大部分已報道液態(tài)金屬彈性體（圖1h）。該方法不僅簡單環(huán)保，而且解決了由于液態(tài)金屬比表面張力大和密度大，造成的復(fù)合彈性體難以導(dǎo)電（通常需要機(jī)械燒結(jié)，表面改性等額外技術(shù)實現(xiàn)導(dǎo)電）和過量金屬使用（導(dǎo)致資源過度消耗且器件質(zhì)量增大）等問題。

  進(jìn)一步，他們通過自行設(shè)計并搭建了力-電阻原位測試裝置，系統(tǒng)的探究了微球膨脹力產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)械燒結(jié)力和液態(tài)金屬含量對EMLM 泡沫導(dǎo)電性和機(jī)械力學(xué)性能的影響（圖2）。并首次通過有限元模擬闡釋了液態(tài)金屬在微球膨脹擠壓下，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的過程，利用3D-CT技術(shù)證實該三維金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的均勻性（圖3）。選擇合適金屬（鎵，伍德合金，菲爾德合金等）可獲得多種EMLM 泡沫，通過調(diào)節(jié)溫度實現(xiàn)泡沫的剛性可調(diào)和形狀記憶功能（圖4）。基于金屬-聚合物穩(wěn)定的雙連續(xù)三維結(jié)構(gòu)和金屬相變的特性，該泡沫在多領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異性能：1）控制泡沫金屬骨架固液相轉(zhuǎn)變實現(xiàn)其在聲學(xué)可逆調(diào)控；2）加熱驅(qū)動泡沫膨脹實現(xiàn)電路的快速緊急修復(fù)；3）填充于中空管道實現(xiàn)機(jī)械性能增強和能量吸收（圖5）。該工作以“Lightweight Liquid Metal-Elastomer Foam with Smart Multi-Function” 為題發(fā)表在 Advanced Functional Materials （Adv. Funct. Mater. 2022, 2205167）上。文章第一作者是湖南大學(xué)19級博士楊鵬坤和20級碩士李鑫洋，通訊作者為黃璐副教授和吳英鵬教授。

圖5. EMGa泡沫具有可調(diào)諧聲、熱驅(qū)動修復(fù)和能量吸收的特性。a) EMGa泡沫可調(diào)諧聲學(xué)示意圖。b)不同泡沫(樣品厚度為5mm，直徑為44 mm)下不同頻率的隔聲量。c)金屬相變下的隔聲量循環(huán)(金屬相變過程:液-固-液-固)。d) EMLM復(fù)合粉末熱驅(qū)動自愈合示意圖。e) EMLM復(fù)合粉末修復(fù)電路光學(xué)圖像(左圖:電路損壞;右圖:修復(fù)電路;下圖:修復(fù)后的電路正常運行，比例尺:2cm)。f)作為補強填料的雙骨架EMGa泡沫增強空心材料力學(xué)性能示意圖。g)不同填充鋼管的荷載-位移曲線。h)不同填充鋼管的沖擊試驗光學(xué)圖像(比例尺:1 cm)。

  原文鏈接：

  Peng-kun Yang⁺, Xin-yang Li⁺, Xiao-ying Yang, Guan-wu Li, Zi-juan Hu, Lu Huang*, Ying-peng Wu*, Lightweight Liquid Metal-Elastomer Foam with Smart Multi-Function, Adv. Funct. Mater. 2022, 2205167

  https://doi.org/10.1002/adfm.202205167

課題組簡介

  吳英鵬教授課題組隸屬于湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點實驗室�，F(xiàn)有教授1人，副教授1人，助理教授1人，博士碩士研究生20余名。課題組負(fù)責(zé)人吳英鵬教授為湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系主任、博士生導(dǎo)師、湖南大學(xué)岳麓學(xué)者、湖湘高層次人才聚集工程創(chuàng)新人才、國家高層次人才計劃。近年來，發(fā)表論文50余篇，累計引用超過8500次，h因子32。其中第一作者/通訊作者論文包括：Nature, Nature Photonics, Nature Communications, Cell Reports Physical Science, Energy & Environmental Science, Advanced Material, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Nano等國際著名雜志。課題組研究工作主要圍繞能量的存儲與轉(zhuǎn)化展開，主要包括：1）液態(tài)金屬；2）電化學(xué)儲能（電池、超級電容器）與換能器件（電催化、摩擦發(fā)電機(jī)等）；3）納米材料。