南京大學(xué)張曄課題組Adv.Mater.：新型凝膠材料：金屬凝膠

凝膠材料是一類(lèi)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。流體占據了凝膠的主體體積，決定了凝膠的性質(zhì)。目前已開(kāi)發(fā)的凝膠體系有水凝膠、有機凝膠、離子液態(tài)凝膠和氣凝膠等，探索新型流體對于解鎖凝膠新性能至關(guān)重要。 兼具高導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。傳統材料通常只能提供導電性(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)現這兩種優(yōu)異特性，仍然是一項挑戰。 近日，南京大學(xué)張曄課題組設計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(guò)靜電相互作用固定填充在相互連接的納米級高分子網(wǎng)絡(luò )中，其中液態(tài)金屬在凝膠中占據96.83%的質(zhì)量分數和92.40%的體積分數(圖1)。 金屬凝膠是通過(guò)流體置換的策略實(shí)現，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(lái)了前所未有的新性能(圖2)。電子電導率高達3.18 × 106 S·m?1，與傳統金屬在同一數量級，顯著(zhù)高于其他導電凝膠材料。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)異的穩定性，一輛4.5噸重的卡車(chē)從金屬凝膠樣品上碾過(guò)，依然可以保持其結構和性能，電阻僅增加了9%。在經(jīng)歷10,000次的反復彎曲、拉伸和扭轉等變形下，電阻基本保持不變。 實(shí)現金屬凝膠獨特結構和優(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)。研究團隊通過(guò)調整聚合物側鏈上極性基團來(lái)改變靜電相互作用，通過(guò)對比實(shí)驗結合原子力顯微鏡的力譜分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現不同的靜電相互作用會(huì )顯著(zhù)影響金屬凝膠的形成及性能的穩定。增強的相互作用會(huì )導致嵌入凝膠中的液態(tài)金屬相連續穩定，從而實(shí)現金屬級的電導率，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)異的穩定性，承受各種復雜變形而不發(fā)生泄露，在空氣、水和高濕度條件下保持穩定。 金屬凝膠的獨特結構和性質(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，金屬凝膠可以適應更復雜器官如腸道的應用需求，