【人物与科研】清华大学刘静教授课题组：具有超高拉伸性导体-绝缘体可逆转变特性的液态金属复合材料

导语

可在导体与绝缘体之间快速转变的材料在理论研究以及工业应用方面都有着非常重要的价值。传统的导体绝缘体转变材料主要集中在如二氧化钒、钙钛矿、有机薄膜等固体材料，需要较为复杂的制备工艺和刺激条件，这限制了其更广泛的应用。近日，清华大学刘静教授课题组基于室温液态金属与硅胶材料，发明并研制出一种可实现导体-绝缘体转变功能的复合材料（TIC），相应转变不仅可逆，且能重复100次以上而无明显结构破坏，最大拉伸幅度可至原长的780%。这种材料制备工艺简单，可以3D打印，对于发展未来柔性可拉伸半导体器件、温度开关、智能可穿戴设备乃至外太空等极端环境探测用传感器具有重要意义。相应成果发表于国际权威期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201901337）。清华大学医学院2015级博士生汪鸿章及2014级博士生姚又友为本文共同第一作者。清华大学刘静教授为本文通讯作者。

刘静教授课题组简介

课题组长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究并作出系列开创性贡献。发现液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了液态金属在生物医疗、柔性机器人、印刷电子、3D打印、先进能源以及芯片冷却等领域突破性应用，成果在世界范围产生广泛影响，为诸多科学杂志如MIT Technology Review, New Scientist等大量评价；研发的众多液态金属应用系统、高端肿瘤微创治疗装备及无线移动医学仪器等进入市场。目前团队共有51名成员，其中博士后7名、博士研究生24名、硕士10名。

刘静教授简介

刘静，清华大学医学院生物医学工程系教授，中国科学院理化技术研究所研究员。清华大学工学士（能动系）、理学士（物理系）、工学博士（能动系）；曾为美国普渡大学博士后、麻省理工学院高级访问学者，先后入选中国科学院及清华大学百人计划。系2003年国家杰出青年科学基金获得者；曾获国际传热界最高奖之一“The William Begell Medal”、全国首届创新争先奖、中国制冷学会技术发明一等奖、ASME会刊Journal of Electronic Packaging年度唯一最佳论文奖、入围及入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”各1次，入选CCTV 2015年度十大科技创新人物等。出版有14部跨学科前沿著作（其中之一印刷5次）及20篇应邀著作章节；发表期刊论文500余篇（含30余篇英文封面或封底故事）；已获授权发明专利190余项。

前沿科研成果

具有超高拉伸性导体-绝缘体可逆转变特性的液态金属复合材料

液态金属是在室温下呈现液态的一种金属，具有表面张力大、沸点高、导电性强及热导率高等优异特性，刘静课题组基于多年的液态金属研究基础，通过大量的实验研究发现，液态金属与特定粘度的硅胶材料按照一定比例混合后，可自然固化形成复合材料。该材料中的液态金属微颗粒周边为硅胶所包裹，在室温时呈绝缘特性。然而当该材料遇到低温触发后，可从绝缘态转变为导体，且材料升温后可再次恢复绝缘状态（图1以及视频1）。值得注意的是，这一转变过程可以重复100次以上而不出现明显的结构破坏和电学性能变化。整个过程中，材料可以反复拉伸，在拉伸状态仍可以实现快速绝缘体-导体转变。

图1 可拉伸材料在温度刺激下实现导体-绝缘体可逆转变现象

（来源：Advanced Materials）

视频1

进一步的研究发现，液态金属（镓铟合金）在凝固过程中体积会对应增大。液态金属微颗粒由于被绝缘的硅胶隔绝，其最初呈绝缘特性，而在低温作用下，导电的液态金属发生相变凝固的同时出现快速膨胀；与此相反的是，绝缘硅胶则在低温刺激下收缩，于是液态金属颗粒被挤出硅胶膜从而形成互相连通，由此呈现出导电特性。受热之后，硅胶恢复弹性，而液态金属颗粒则由固体熔化成液态而导致体积减小，重新回归到被硅胶包裹状态，呈现绝缘性质（图2）。

图2 低温诱导金绝缘体-导体可逆转换机理

（来源：Advanced Materials）

为验证新材料作为温度开关方面的性能，研究小组还特别设计制作了一个基于TIC的电路置于四驱车内部，其在室温下时为绝缘状态。当对TIC进行冷冻，四驱车立即启动奔跑，当TIC材料恢复室温后，电路又自动断开，四驱车继而停止运动（图3以及视频2）。

图3 低温开关展示

（来源：Advanced Materials）

视频2

进一步地，文章还展示了利用TIC材料作为温度传感器，结合单片机和蓝牙设备，研制了可通过环境温度改变实现不同图案功能的显示装置。如图4所示，改变温度可显示清华大学英文首字母THU及0-9阿拉伯数字（视频3）。

图4 基于TIC材料的温控显示装置

（来源：Advanced Materials）

视频3

值得一提的是，该材料在低温刺激下展现的绝缘体-导体转变特性还有望用于月球探索中。在月球夜晚极低温环境下，材料从绝缘体转为导体，连通电路开展工作；而在月球白昼温度上升时，材料又恢复绝缘状态，开关断开，设备停止工作，此过程无需加载复杂的嵌入式控制系统。文章第一单位为清华大学医学院，本研究得到国家自然科学基金委重点项目“液态金属软体柔性感知机器人技术研究”、中国科学院院长基金及前沿项目的资助。

关于人物与科研

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