电影《终结者》系列中的液态金属机器人“T-1000”展现出了液态金属独有的特性：具有液态的流动性、金属的高强度，受伤后可自修复等。在现实中，液态金属Galinstan（Ga和In的共晶合金）不仅具有这些奇特的性能，还具有极佳的电性能（34,000 S·cm-1）、热力学性能等，因此在柔性印刷电子领域具有非常重要的应用前景。
南开大学材料科学与工程学院梁嘉杰团队在npj Flexible Electronics上发表了他们的研究成果“Rupture stress of liquid metal nanoparticles and their applications in stretchable conductors and dielectrics”。该团队通过控制超声时间制备不同尺寸的液态金属纳米颗粒，该颗粒具有特殊的核壳结构，包括内部的高导电液态金属和外部的绝缘氧化物Ga2O3（图1a）。当外部应力大于绝缘氧化物的破碎应力时，液态金属颗粒破碎、融合，在材料内部形成丰富的导电通路。当外部应力小于绝缘氧化物破碎应力时，液态金属颗粒保持完整，提高复合材料的介电常数与电容性能（图1b）。通过研究发现：随着液态金属纳米颗粒尺寸增加，破碎应力逐渐变小(图1c)，并对不同尺寸液态金属纳米颗粒的破碎应力进行了理论计算和实验验证（图1d，e）。
图1. (a) 液态金属纳米颗粒的制备过程及核壳结构。(b) LMNPs-1.4与LMNPs-0.3分别应用于制备可拉伸电极与可拉伸绝缘材料工作原理示意图。(c) 液态金属纳米颗粒破碎应力与直径的关系。(d) 50%LMNPs-1.4/85PU与50%LMNPs-0.3/85PU破碎应变的实验值与理论值。(e) 50%LMNPs-1.4/65PU 与 50%LMNPs-0.3/65PU破碎应变的实验值与理论值。
在理论计算结果的指导下，该团队采用破碎应力较低的大尺寸液态金属颗粒与高模量弹性体复合，制备的可拉伸电极在初始状态下电导率为11,702 S·cm-1，随着应变增大电导率逐渐上升，在400%应变下电导率为24,130 S∙cm-1，且电阻变化与拉伸速度无关，电极在300%应变下循环拉伸20,000次，电阻变化保持稳定（图2a-c）。采用破碎应力较高的小尺寸液态金属颗粒与低模量弹性体复合，制备的绝缘材料介电常数为76.8，工作范围为580%，且在100%应变下反复拉伸1,000次过程中电阻变化保持稳定（图2d-f）。
图2. (a) 85%LMNPs-1.4/85PU拉伸状态下的电导率与拉伸应变的关系，(b) 实验数据拟合，(c) 85%LMNPs-1.4/85PU在300%应变、不同速度(0.12 Hz, 0.16 Hz, 0.24 Hz, 0.30 Hz, 和 0.01Hz)下循环20,000 次过程中电阻变化。(d) 在100 kHz频率下，不同液态金属添加量LMNPs-0.3/55PU的介电常数。(e) 在10-100 kHz频率范围内，50%LMNPs-0.3/55PU在不同应变下的电容变化。(f) 100%应变下拉伸1,000次过程中，50%LMNPs-0.3/55PU的电容与损耗变化。
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npj Flexible Electronics | doi: 10.1038/s41528-021-00108-w
Rupture stress of liquid metal nanoparticles and their applications in stretchable conductors and dielectrics
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