基于液晶弹性体和液态金属的新型材料制备研究文献综述

 2023-08-19 04:08

文献综述(或调研报告):

液态金属(共晶镓铟,EGaIn)因其兼具了金属的导电导热性质和液体的流动特性而备受关注。此外,因为与汞相比,共晶镓铟具有低毒性的优势,在生物医学工程领域也存在着巨大的应用潜力。目前,关于EGaIn的研究主要集中于与各类柔性材料相结合,利用液态金属“导电性 流动性”的特性组合,致力于开发基于液态金属的柔性机器人或执行器。Pan等人【1】用EGaIn替代常见的硬性填充材料,与弹性体聚合物结合,并通过控制液态金属粒径,兼顾了材料的机械性质和介质击穿强度、介电常数。但液态金属暴露在空气中时,其表面很快会形成一层绝缘氧化膜,这使得液态金属具有较稳定的化学性质,但也阻碍了在水相中的溶解,更使得液态金属的导电性质应用遭遇挑战。为了解决氧化膜的阻隔问题,研究人员的方法可以分为三类:

1. 对液态金属进行表面有机物接枝,提高其在水相、有机相中的溶解度。如Xin等人【2】向液态金属中嵌入硫聚合物(多硫环、硫醇基),提高了在多种有机相中的分散性,同时一定程度上阻止了团聚发生,降低了材料粒径,并实现了“自愈”能力。

2. 增大液态金属的掺杂量,在弹性体内部形成连通的液态金属导电通道,在外接电路的情况下能直接形成回路。如Zhu等人【3】着眼于材料各向异性的实现,方式为将材料制备为多层结构,即胶体-LM-胶体-LM结构,从而实现在不同方向上的导电性和导热性差异。其中LM部分为含有高液态金属掺杂度的胶体,导电导热能力远强于单纯的胶体层。

3. 借助其他材料的掺杂,优化整体的导电、导热性能。如Saborio等人【4】选择向体系内加入少量石墨烯碎片,虽然一定程度上破坏了整体成胶结构,但能在交联体系内形成导电网络,利用范德华力,使得LM能在石墨烯形成的孔道内通过,实现导电。Yun等人【5】向材料内额外引入了铁磁性材料,实现了与众不同的正压电效应。传统导电材料在拉伸情况下导电能力下降,而这种材料则在原长情况下电导率最高。原因在于,体系内的铁磁性材料除了用于预设的磁场控制外,在拉伸情况下起到了破坏绝缘层(弹性体),连接导电介质(铁磁性物质本身以及LM)的作用。研究者对该假设也进行了验证,改变了掺入铁磁性物质的形状,发现不规则形状的铁磁材料比球形的铁磁材料破坏绝缘层的能力更强,所得材料导电能力也随之增强。

除了开发液态金属的导电能力、流动特性,也有研究人员另辟蹊径,致力于液态金属的低毒性和光热性质,开发液态金属的热疗潜力。如Chechetka等人【6】选择利用磷脂高聚物对液态金属进行表面修饰,除了提高材料的水溶性、生物相容性,也为了形成以液态金属为核、有机物为壳的核壳结构。研究者发现,经过特殊修饰的液态金属,在近红外光的激发下,具有优秀的光热特性。此外,NIR照射下,这种复合材料展现出了有趣的光致变形特性,或可应用于可控释药。Jin等人【7】则利用液态金属受到外界压力或拉伸情况下产生形变,导电通道的长度、横截面积改变,电阻随之改变,在电流通过的情况下,焦耳产热变化,热变色染料因此变色。

液晶弹性体作为一类新兴的弹性体材料,因其具有可控热致形变、机械强度大等优势而受到研究人员关注。为了实现材料整体加热,研究者主要选择在液晶弹性体制备过程中加入可加热材料,如近红外吸收染料【8】、偶氮苯类分子【9】、多聚多巴胺【10】、金纳米棒【11】等。通过对掺杂加热材料的选择,以及液晶弹性体制备过程的控制,研究者就能实现不同引发条件下,液晶弹性体产生特定的形变。

参考文献:

1. Chengfeng, Pan, Eric, et al. A Liquid-Metal-Elastomer Nanocomposite for Stretchable Dielectric Materials.[J]. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), 2019.

2. Xin Y , Peng H , Xu J , et al. Ultrauniform Embedded Liquid Metal in Sulfur Polymers for Recyclable, Conductive, and Self-Healable Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2019.

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