凝膠材料是一類半固體材料，其中流體被固定填充在三維高分子網絡中。流體占據了凝膠的主體體積，決定了凝膠的性質。目前已開發的凝膠體系有水凝膠、有機凝膠、離子液態凝膠和氣凝膠等，探索新型流體對于解鎖凝膠新性能至關重要。
兼具高導電性和柔韌性的材料一直是迫切需求，尤其是在生物電子學和可穿戴技術等快速發展的新興領域中。傳統材料通常只能提供導電性(如金屬)或柔韌性(如高分子)，而要在同一種材料中同時實現這兩種優異特性，仍然是一項挑戰。
近日，南京大學張曄課題組設計制備了一種金屬凝膠的新材料，液態金屬作為流體，首次引入到凝膠材料中，通過靜電相互作用固定填充在相互連接的納米級高分子網絡中，其中液態金屬在凝膠中占據96.83%的質量分數和92.40%的體積分數(圖1)。
金屬凝膠是通過流體置換的策略實現，該方法具有良好的普適性，不同的液態金屬(包括鎵，鎵銦合金和鎵銦錫合金等)和不同的高分子(ι-卡拉膠，海藻酸鈉，透明質酸等)都可以成功制備金屬凝膠。
金屬流體的引入為金屬凝膠帶來了前所未有的新性能(圖2)。電子電導率高達3.18 × 106 S·m?1，與傳統金屬在同一數量級，顯著高于其他導電凝膠材料。同時，楊氏模量低至70 kPa，與人體軟組織的模量相匹配。此外，金屬凝膠還展示出優異的穩定性，一輛4.5噸重的卡車從金屬凝膠樣品上碾過，依然可以保持其結構和性能，電阻僅增加了9%。在經歷10,000次的反復彎曲、拉伸和扭轉等變形下，電阻基本保持不變。
實現金屬凝膠獨特結構和優異性能的關鍵是液態金屬與聚合物網絡之間的相互作用(圖3)。研究團隊通過調整聚合物側鏈上極性基團來改變靜電相互作用，通過對比實驗結合原子力顯微鏡的力譜分析和分子動力學模擬發現不同的靜電相互作用會顯著影響金屬凝膠的形成及性能的穩定。增強的相互作用會導致嵌入凝膠中的液態金屬相連續穩定，從而實現金屬級的電導率，與此同時，金屬凝膠中的靜電相互作用還使其在不同環境中具有優異的穩定性，承受各種復雜變形而不發生泄露，在空氣、水和高濕度條件下保持穩定。
金屬凝膠的獨特結構和性質使其成為生物電子器件，尤其是植入式電極的理想選擇(圖4)。金屬凝膠在被用作坐骨神經電刺激電極時表現出優異的刺激性能和生物相容性。此外，金屬凝膠可以適應更復雜器官如腸道的應用需求，
聲明：
“南京大學張曄課題組Adv.Mater.：新型凝膠材料：金屬凝膠” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：中冶有色網
來源：南京大學
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2025年07月24日 ~ 26日 
