东南大学张久洋教授团队：可编程液态金属高分子纤维

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高分子导电纤维由于具有轻质和柔软的特点，表现出对各种形变的适应性，如变形、弯曲和拉伸，受到了电子领域的广泛关注。重要的是，将导电纤维编织成柔性和可变形的纺织品非常方便，可用于实际的电气应用。因此，许多研究都集中在提高纤维性能或将新功能引入导电纤维中。在不同的高分子导电纤维中，室温液态金属（LM）纤维由于其金属导电性和显著的室温流动性而受到人们的特别关注。例如，将液态金属注入高分子弹性管中或涂覆与高分子纤维表面上，可以形成高度可拉伸的LM高分子纤维，并成功地用作形状记忆器件、高性能电阻器等，电容式的传感器。尽管这些优秀的研究表明了液态金属高分子纤维的广阔前景，目前的LM纤维仅具有与传统导电高分子纤维相似的功能。与由碳、固体金属和共轭聚合物等导电填料制备的导电纤维相比，液态金属的特性并没有被充分利用来构建具有独特功能的导电纤维。

近日，东南大学化学化工学院张久洋教授课题组创造性的将液态金属梯度分布在高分子基体中，得到了一种独特的可通过温度控制形状和导电性的纤维。这种控制性（编程性）是可逆的。如图1a所示，LM高分子纤维的形状和电阻可以通过热能可逆地调节。在加热过程中，LM高分子纤维显示出沿轴向从绝缘体到具有程序导电性的导体的转变。当冷却到液态金属熔融温度以下时，转变发生逆转，LM纤维成为绝缘材料。形变和电跃迁的可逆过程都是高度可重复的。这些独特的可编程特性使LM纤维可应用于智能电子领域。程序化螺旋结构的LM高分子纤维具有良好的力学性能，可以作为智能应变介导导体。LM高分子纤维还可作为温度响应的电子纺织品和月球车等高科技设备中的柔性温度电子开关。

图1：可编程的液态金属高分子纤维的（a）热控制导电与形状的过程；（b）制备示意图；（c-e）外观和内部结构表征。

研究者通过简单的研磨将液态金属与PDMS混匀后用注射器注入热缩管中，室温下静置使液态金属呈梯度分布。然后加热固化再去除外面的热缩管即可得到热可编程的液态金属高分子纤维。

图2：液态金属高分子纤维在冷却-加热过程中弯曲程度的变化（左侧）以及预拉伸的液态金属（LM）高分子纤维（Strain:50%）在冷却-加热过程中螺旋程度的变化（右侧）。

如图2左侧所示，制备的液态金属高分子纤维冷却变弯后加热又会变直。冷却后液态金属变成固态模量增大，由于梯度分布的缘故导致纤维两侧收缩率不对称，所以纤维会向高分子富集的一侧弯曲。当加热时液态金属融化模量减小，纤维两侧的不对称性大幅降低，所以纤维又恢复伸直状态。进一步的，如图2右侧所示，将液态金属梯度高分子纤维施加一定的初始应变后冷却。当加热时LM纤维会先螺旋，继续加热纤维会解螺旋并恢复原长。 

图3：液态金属（LM）高分子纤维代替机器车中的一段导线。

图4. 配有液态金属高分子纤维的月球车工作模式（背面休息，正面工作）。

如图3所示，液态金属的纤维可代替机器车中的一段导线。初始状态下由于纤维是冷却的只能短距离导电，电源被切断所以机器车不运动；加热后LM纤维变成长距离导电，电源被接通此时机器车立即工作。这使得液态金属高分子纤维在将来可以用于太空车（图4），例如月球车。当月球车在月亮背面时，由于温度较低，LM纤维变成绝缘体不导电，电源被切断，太空车停止工作。当月球车在月亮正面时，由于温度较高，LM纤维变成导体，电源被连接，太空车立即工作。

图5. 螺旋的液态金属（LM）高分子纤维拉伸过程中绝缘体和导体之间的转换。

如图5所示，根据图2可制备具有螺旋结构的液态金属高分子，螺旋后的液态金属高分子纤维在拉伸的过程中可以实现绝缘体和导体之间的快速装换。

图6. 液态金属的高分子纤维冷却-加热绝缘与导电转变机理。

在上述研究现象上，团队探讨了液态金属的高分子纤维在冷却加热下导电转变的机理。初始状态下，液态金属高分子纤维为处于导电态，但冷却后会失去导电性变为绝缘态。然而在冷却时对高分子纤维施加一定的外力使其无法变形弯曲，此时液态金属高分子纤维仍能维持高导电状态（图6）。这表明冷却下，纤维的弯曲破坏了冷却时液态金属的连接，从而使得材料绝缘。冷却液态金属至固态以及材料的不对称弯曲是绝缘与导电转变的关键原因。本工作表明，液态金属高分子纤维可以作为新一代智能导电材料，具有广阔的应用前景。

以上研究成果近期以“Liquid Metal Gradient Fibers with Reversible Thermal Programmability”为题发表于《Materials Horizons》（DOI：10.1039/D0MH00280A）。论文第一作者为东南大学化学化工学院19级博士生刘怀志，通讯作者为东南大学化学化工学院张久洋教授。本研究工作得到了国家自然科学基金（21504013,21774020）的支持。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/MH/D0MH00280A#!divAbstract

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