各種柔性裝置都非常需要可拉伸且堅韌的水凝膠。液態金屬 (LM) 由於其獨特的特性而成為製備功能性水凝膠的有吸引力的申請人。然而，LM的高流動性以及LM與聚合物基質之間的不相容性使得難以製造堅韌的水凝膠。
圖1 P-LMGO水凝膠的製備和流變效能。a) 用 LMGO 奈米複合填料製備 P-LMGO 水凝膠的圖示。b) 液態金屬奈米顆粒和 c) LMGO 奈米複合材料的 TEM 影象。d) P、P-LM 和 P-LMGO 水凝膠的數碼照片。振盪流變測量結果包括 e) 應變掃描、f) 頻率掃描、g) tan δ 和 h) P、P-LM 和 P-LMGO 水凝膠的基質孔徑。
最近，華南理工大學科研團隊受生物結構中韌帶功能的啟發，引入氧化石墨烯 (GO) 奈米片來封裝 LM 液滴。GO 奈米片與 LM 和聚合物基質形成強相互作用，形成一個穩定的外殼，防止 LM 液滴破裂和滲出到聚合物網路中。靈活的 LM/GO 核殼微結構避免了相分離，併產生了堅韌的水凝膠，在 1240% 的伸長率下應力高達 303 kPa。它還表現出對缺口不敏感和對各種表面的強附著力。這項研究開啟了在可拉伸和堅韌的水凝膠中使用 LM 的可能性。
圖2 P-LMGO水凝膠的拉伸性、壓縮性和相應的機制。a) LM 和 GO 以及 LMGO 奈米複合填料和聚合物之間的相互作用。b) 拉伸時 P-LMGO 的圖示。c) P-LMGO 的可拉伸性、可壓縮性和柔韌性。d) 具有不同 LM/GO 比率的 P-LMGO 水凝膠的頻率掃描。e) P 和 P-LMGO 的拉伸性。f) 一些相關水凝膠和彈性體的機械效能比較。g)伸長下 P-LMGO 的重建 X 射線斷層掃描資料 (CT)。
圖3 P-LMGO2水凝膠的機械效能。A) P-LMGO 在 800% 應變下的迴圈拉伸。B) P-LMGO 在迴圈拉伸過程中的能量耗散和楊氏模量。C) P-LMGO 的交替步進應變掃描。D) P-LMGO 在自愈前後的電導率。E) P-LMGO 的耐切割性和 F) 缺口不敏感性。G) 分別在缺口 P 和 P-LMGO 水凝膠中的能量耗散機制示意圖。H) 用於製造各種形狀的 P-LMGO 的蔭罩工藝。
圖4 P-LMGO2水凝膠的粘合效能。a) 平面外和 b) P-LMGO2 在親水基材之間透過 20 µL 懸浮液的自聚合進行平面內粘附。c) 粘合劑的耐水性。d) 分別用 20 µL P、P-LM 和 P-LMGO 粘合的兩個鋼盤的平面內搭接剪下的粘合剪下強度。e) 粘合劑的粘合機理。f) 照片說明了 P-LMGO 水凝膠對各種表面的粘附性。
圖5 透過將水凝膠夾在兩個銅電極之間來檢測基於 P-LMGO2 的感測器的感測效能。a) 儀表係數和 b) 感測機制。c) 不同拉伸應變下的實時阻力。d) 200% 應變下 900 次拉伸-釋放迴圈中的電流穩定性。當前對 e) 手指彎曲和 f) 飲酒的反應。g) 用於位置感測的 3 × 3 感測器陣列的照片。該電路還包含一塊 Arduino Mega MCU 開發板和一塊麵包板。
相關論文以題為Graphene Oxide Encapsulating Liquid Metal to Toughen Hydrogel發表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者是華南理工大學鍾林新教授。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adfm.202106761
