近年来，液态金属-聚合物复合弹性体由于其优异的柔韧性、导电性、导热性及机械耐受性，广泛应用于柔性可穿戴电子、智能机器人、热工程管理和电磁屏蔽等领域。得益于液态金属在室温环境中可调节的相变过程，基于液态金属的智能导电弹性体有着突出的研究前景和价值。

  基于此，湖南大学化学化工学院吴英鹏教授团队利用一种由内而外的方法一步构建轻质导电液态金属智能弹性泡沫（EMLM foam）（图1）。基于可逆刚度控制、轻量化、导电性和机械稳定性等特点，EMLM泡沫在可调谐声学、能量吸收、热驱动修复等不同领域均表现出优异性能（图5）。

  该工作将膨胀微球（EM）与液态金属（LM）通过简单的机械复合即可得到分散均匀的EMLM 前驱体（图1c,1d），在受热条件下EM体积膨胀挤压LM流动填充于EM之间的缝隙，与此同时，EM之间也发生塑化形成聚合物泡沫，从而实现一步构建金属-聚合物双连续三维网络骨架（图1e）。仅需3vol% LM便可构建超轻质液态金属导电弹性体（密度<0.3g/cm³，4vol% LM电导率可达3.8x10⁴S/m），优于大部分已报道液态金属弹性体（图1h）。该方法不仅简单环保，而且解决了由于液态金属比表面张力大和密度大，造成的复合弹性体难以导电（通常需要机械烧结，表面改性等额外技术实现导电）和过量金属使用（导致资源过度消耗且器件质量增大）等问题。

  进一步，他们通过自行设计并搭建了力-电阻原位测试装置，系统的探究了微球膨胀力产生的内部机械烧结力和液态金属含量对EMLM 泡沫导电性和机械力学性能的影响（图2）。并首次通过有限元模拟阐释了液态金属在微球膨胀挤压下，形成三维导电网络的过程，利用3D-CT技术证实该三维金属导电网络的均匀性（图3）。选择合适金属（镓，伍德合金，菲尔德合金等）可获得多种EMLM 泡沫，通过调节温度实现泡沫的刚性可调和形状记忆功能（图4）。基于金属-聚合物稳定的双连续三维结构和金属相变的特性，该泡沫在多领域表现出优异性能：1）控制泡沫金属骨架固液相转变实现其在声学可逆调控；2）加热驱动泡沫膨胀实现电路的快速紧急修复；3）填充于中空管道实现机械性能增强和能量吸收（图5）。该工作以“Lightweight Liquid Metal-Elastomer Foam with Smart Multi-Function” 为题发表在 Advanced Functional Materials （Adv. Funct. Mater. 2022, 2205167）上。文章第一作者是湖南大学19级博士杨鹏坤和20级硕士李鑫洋，通讯作者为黄璐副教授和吴英鹏教授。

图5. EMGa泡沫具有可调谐声、热驱动修复和能量吸收的特性。a) EMGa泡沫可调谐声学示意图。b)不同泡沫(样品厚度为5mm，直径为44 mm)下不同频率的隔声量。c)金属相变下的隔声量循环(金属相变过程:液-固-液-固)。d) EMLM复合粉末热驱动自愈合示意图。e) EMLM复合粉末修复电路光学图像(左图:电路损坏;右图:修复电路;下图:修复后的电路正常运行，比例尺:2cm)。f)作为补强填料的双骨架EMGa泡沫增强空心材料力学性能示意图。g)不同填充钢管的荷载-位移曲线。h)不同填充钢管的冲击试验光学图像(比例尺:1 cm)。

  原文链接：

  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

课题组简介

  吴英鹏教授课题组隶属于湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室。现有教授1人，副教授1人，助理教授1人，博士硕士研究生20余名。课题组负责人吴英鹏教授为湖南大学化学化工学院化学系主任、博士生导师、湖南大学岳麓学者、湖湘高层次人才聚集工程创新人才、国家高层次人才计划。近年来，发表论文50余篇，累计引用超过8500次，h因子32。其中第一作者/通讯作者论文包括：Nature, Nature Photonics, Nature Communications, Cell Reports Physical Science, Energy & Environmental Science, Advanced Material, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Nano等国际著名杂志。课题组研究工作主要围绕能量的存储与转化展开，主要包括：1）液态金属；2）电化学储能（电池、超级电容器）与换能器件（电催化、摩擦发电机等）；3）纳米材料。