《先进材料》具有超高拉伸性导体-绝缘体可逆转变特性的液态金属复合材料
液态金属 今天
近日，清华大学医学院生物医学工程系联合中国科学院理化技术研究所，在国际权威期刊Advanced Materials (影响因子IF: 21.95) 发表了题为“A Highly StretchableLiquid Metal Polymer as Reversible TransitionalInsulator and Conductor”的学术论文。该工作基于室温液态金属与硅胶材料，发明并研制出一种可实现温控导体-绝缘体转变功能的复合材料（TIC），相应转变不仅可逆，且能重复100次以上而无明显结构破坏，最大拉伸幅度可至原长的780%。这一新材料对于发展未来柔性可拉伸半导体器件、温度开关、智能可穿戴设备乃至外太空等极端环境探测用传感器具有重要意义。清华大学医学院2015级博士生汪鸿章及2014级博士生姚又友为本文共同第一作者，清华大学教授、中科院理化所双聘研究员刘静为本文通讯作者。
研究小组在大量的实验研究中发现，液态金属与特定粘度的硅胶材料按照一定比例混合后，可自然固化形成复合材料。该材料中的液态金属微颗粒周边为硅胶所包裹，在室温时呈绝缘特性。然而当该材料遇到低温触发后，可从绝缘态转变为导体，且材料升温后可再次恢复绝缘状态（图1）。值得注意的是，这一转变过程可以重复100次以上而没有出现明显的结构破坏和电学性能变化。整个过程中，材料可以反复拉伸，在拉伸状态仍可以实现快速绝缘体-导体转变。
图1 可拉伸材料在温度刺激下实现导体-绝缘体可逆转变现象
低温触发后，可从绝缘态转变为导体
进一步的研究发现，液态金属（镓铟合金）在凝固过程中体积会对应增大。液态金属微颗粒由于被绝缘的硅胶隔绝，其最初呈绝缘特性，而在低温作用下，导电的液态金属发生相变凝固的同时出现快速膨胀；与此相反的是，绝缘硅胶则在低温刺激下收缩，于是液态金属颗粒被挤出硅胶膜从而形成互相连通，由此呈现出导电特性。受热之后，硅胶恢复弹性，而液态金属颗粒则由固体熔化成液态而导致体积减小，重新回归到被硅胶包裹状态，呈现绝缘性质（图2）。
图2 低温诱导金绝缘体-导体可逆转换机理
研究表明，该材料的导体绝缘体转变性能会受液态金属颗粒大小影响，研究小组从理论上分析了液态金属颗粒半径须大于11 m，材料方可在低温刺激后实现导体绝缘体转变。该推导结果得到了实验验证。
若液态金属颗粒过大，材料的结构稳定性会对应降低。图3展示了不同颗粒直径大小的复合材料的弹性模量以及机械性能差异。研究小组发现，通过调节液态金属的比例以及搅拌时间均可以调控液态金属颗粒尺寸产生，从而实现最优的导体绝缘体转变性能。
图3 液态金属颗粒大小对导电转变与机械性能的影响
为验证新材料作为温度开关方面的性能，研究小组还特别设计制作了一个基于TIC的电路置于四驱车内部，其在室温下时为绝缘状态。当对TIC进行冷冻，四驱车立即启动奔跑，当TIC材料恢复室温后，电路又自动断开，四驱车继而停止运动（图4）。
图4 低温开关展示
当对TIC进行冷冻，四驱车立即启动奔跑，当TIC材料恢复室温后，电路又自动断开，四驱车继而停止运动
进一步地，文章还展示了利用TIC材料作为温度传感器，结合单片机和蓝牙设备，研制了可通过环境温度改变实现不同图案功能的显示装置。如图5所示，改变温度可显示清华大学英文首字母THU及0-9阿拉伯数字。
图5 基于TIC材料的温控显示装置
改变温度可显示0-9阿拉伯数字
值得一提的是，该材料在低温刺激下展现的绝缘体-导体转变特性还有望用于月球探索中。在月球夜晚极低温环境下，材料从绝缘体转为导体，连通电路开展工作；而在月球白昼温度上升时，材料又恢复绝缘状态，开关断开，设备停止工作，此过程无需加载复杂的嵌入式控制系统。
上述研究得到国家自然科学基金委重点项目“液态金属软体柔性感知机器人技术研究”、中国科学院院长基金及前沿项目的资助。