来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202508954

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背景介绍

提升材料的热绝缘性与透湿性成为柔性电子材料设计中的核心挑战，为了提升热管理性能，已有研究尝试在聚合物中加入中空陶瓷微球或相变材料，但这些方法通常会牺牲柔性或制造复杂性。液态金属（如eGaIn）因其金属级导电性、流动性与可变形性，逐渐成为构建柔性导体与电子器件的新兴填料。但液态金属的高热导率会破坏材料整体的热绝缘特性，使其难以兼顾导电与热屏蔽，此外其均匀分布状态也不利于构建局部电路或图案化结构。因此，开发一种结构可控、导电/绝热分离、制备简便的液态金属复合材料，成为该领域的迫切需求。

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成果掠影

近日，香港城市大学姚希教授团队和Sai Kishore Ravi教授团队提出并构建了一种基于液态金属表面限域的多功能气凝胶材料（LeCA）。其核心在于：通过湿度诱导的相分离机制与液态金属沉降效应，在TPU基体中自发构建出上下层结构分明的多孔薄膜。该材料在垂直方向实现功能分层，液态金属富集区通过后续机械烧结形成可控导电通路，而TPU基多孔网络则提供热绝缘与水汽传输通道，整体实现导电、隔热和透湿的协同统一。LeCA是开发可穿戴设备的一个很有前途的候选材料，它将导电性、热管理和用户舒适性等基本属性结合在一个灵活的平台上。为多功能柔性材料的结构调控与集成制造提供了新思路，亦为下一代可穿戴电子系统的发展奠定了坚实基础。研究成果以“Stretchable and Conductive Aerogel with High Thermal Insulation Through Surface Confinement of Liquid Metal Particles”为题发表在《 Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1 LeCA的结构与性能。a) 利用LeCA构建的可拉伸柔性电路示意图；b) 电生理信号监示意图；c) 同时放在手上的棉布与LeCA的光学和红外热成像照片；d) 大尺寸LeCA薄膜的照片。

图2 LeCA的制备、结构表征和机械性能。a) LeCA的制备过程示意图；b) 热塑性聚氨酯（TPU）气凝胶的SEM横截面图；c) 不同TPU浓度下TPU气凝胶的拉伸应力-应变曲线； d)TPU气凝胶和LeCA举起1公斤重物的光学图像； e) LeCA以及它的上下两侧的横切面SEM图像；f) TPU薄膜、TPU气凝胶和LeCA的拉伸应力-应变曲线。

图3 LeCA的电学机理与性能。a) LeCA导电机理示意图；b) 未烧结液态金属（LM）颗粒的LeCA上表面的SEM图像；c) 书写诱导LM颗粒烧结后，LeCA上表面的SEM图像；d) 直写过程和发光LED的光学图像；e) 不同LM质量含量的LeCA的电导率和电阻率的测量值；误差棒来自3个独立样本。 f) LeCA电导率随书写压力的变化关系。误差棒来源于3组独立样本；g) LeCA-40的相对电阻变化随应变的变化关系。h) LeCA在100%应变下经3000次拉伸-释放循环的电阻稳定性。

图4 LeCA的隔热和透湿性能。a) 不同LM质量含量的TPU薄膜、TPU气凝胶和LeCA的热导率；b) 太阳光下LeCA和棉花的光学图像和红外热像图；c) LeCA电路在连续工作状态下的红外热像图；d) 使用热电偶进行热测量的示意图；e) LeCA正面与背面的温度在25分钟内随时间的变化；f) 红外热像仪测量TPU气凝胶和LeCA的温度示意图；g) TPU气凝胶、打孔TPU气凝胶、Le CA和打孔LeCA在不同时间点的温度；h) 棉布、打孔棉布、TPU气凝胶、LeCA、打孔LeCA与创可贴的透湿率对比。

图5 LeCA的可修改互连结构与可回收性。a) 基于直接书写技术实现的LeCA可修改互连线路；b) 具有电池、LED和光敏电阻的功能电路的光学图像；c) 回收过程：首先将LeCA放入DMF中，使其解组装为单体组分后实现回收再利用；d) 原始LeCA与不同回收次数LeCA的应力-应变曲线；e) 原始LeCA与不同回收次数LeCA的杨氏模量； f) 原始LeCA与不同回收次数LeCA的电导率。

图6 LeCA的生物相容性及其作为肌电传感电极的性能。a) 293A细胞在含空白样品、LeCA及20% DMSO培养基中孵育24小时的明场与荧光显微图像；b) 不同孵育组的细胞活性定量分析；c) LeCA电极与商用Ag/AgCl电极在三角肌处生成的肌电信号；d) LeCA电极与Ag/AgCl电极的信噪比（SNR）；e) LeCA电极佩戴于三角肌时检测到的肌电信号；f) LeCA电极佩戴于鱼际肌时检测到的肌电信号。