各种柔性设备都非常需要可拉伸且坚韧的水凝胶。 液态金属 (LM) 由于其独特的特性而成为制备功能性水凝胶的有吸引力的申请人。然而，LM的高流动性以及LM与聚合物基质之间的不相容性使得难以制造坚韧的水凝胶。
图1 P-LMGO水凝胶的制备和流变性能 。a) 用 LMGO 纳米复合填料制备 P-LMGO 水凝胶的图示。b) 液态金属纳米颗粒和 c) LMGO 纳米复合材料的 TEM 图像。d) P、P-LM 和 P-LMGO 水凝胶的数码照片。振荡流变测量结果包括 e) 应变扫描、f) 频率扫描、g) tan δ 和 h) P、P-LM 和 P-LMGO 水凝胶的基质孔径。
最近，华南理工大学科研 团队 受生物结构中韧带功能的启发，引入氧化石墨烯 (GO) 纳米片来封装 LM 液滴。GO 纳米片与 LM 和聚合物基质形成强相互作用，形成一个稳定的外壳，防止 LM 液滴破裂和渗出到聚合物网络中。 灵活的 LM/GO 核壳微结构避免了相分离，并产生了坚韧的水凝胶，在 1240% 的伸长率下应力高达 303 kPa。它还表现出对缺口不敏感和对各种表面的强附着力。这项研究开启了在可拉伸和坚韧的水凝胶中使用 LM 的可能性。
图2 P-LMGO水凝胶的拉伸性、压缩性和相应的机制。 a) LM 和 GO 以及 LMGO 纳米复合填料和聚合物之间的相互作用。b) 拉伸时 P-LMGO 的图示。c) P-LMGO 的可拉伸性、可压缩性和柔韧性。d) 具有不同 LM/GO 比率的 P-LMGO 水凝胶的频率扫描。e) P 和 P-LMGO 的拉伸性。f) 一些相关水凝胶和弹性体的机械性能比较。g)伸长下 P-LMGO 的重建 X 射线断层扫描数据 (CT)。
图3 P-LMGO2水凝胶的机械性能。 A) P-LMGO 在 800% 应变下的循环拉伸。B) P-LMGO 在循环拉伸过程中的能量耗散和杨氏模量。C) P-LMGO 的交替步进应变扫描。D) P-LMGO 在自愈前后的电导率。E) P-LMGO 的耐切割性和 F) 缺口不敏感性。G) 分别在缺口 P 和 P-LMGO 水凝胶中的能量耗散机制示意图。H) 用于制造各种形状的 P-LMGO 的荫罩工艺。
图4 P-LMGO2水凝胶的粘合性能。 a) 平面外和 b) P-LMGO2 在亲水基材之间通过 20 µ L 悬浮液的自聚合进行平面内粘附。c) 粘合剂的耐水性。d) 分别用 20 µ L P、P-LM 和 P-LMGO 粘合的两个钢盘的平面内搭接剪切的粘合剪切强度。e) 粘合剂的粘合机理。f) 照片说明了 P-LMGO 水凝胶对各种表面的粘附性。
图5 通过将水凝胶夹在两个铜电极之间来检测基于 P-LMGO2 的传感器的传感性能。 a) 仪表系数和 b) 传感机制。c) 不同拉伸应变下的实时阻力。d) 200% 应变下 900 次拉伸-释放循环中的电流稳定性。当前对 e) 手指弯曲和 f) 饮酒的反应。g) 用于位置感测的 3 × 3 传感器阵列的照片。该电路还包含一块 Arduino Mega MCU 开发板和一块面包板。
相关论文以题为 Graphene Oxide Encapsulating Liquid Metal to Toughen Hydrogel 发表在《 Advanced Functional Materials 》上。 通讯作者 是 华南理工大学 钟林新教授 。
参考文献：
doi.org/10.1002/adfm.202106761