以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿
水凝胶是一种具有三维网络结构的软材料，通过引入离子、导电聚合物和导电填料，可获得导电水凝胶。但是，由于导电聚合物共轭结构的固有刚性，导电填料与水凝胶基体的不相容性，以及盐析效应，目前大多数导电水凝胶的机械性能较差，如低韧性、低抗拉强度，以及不理想的自恢复和自愈合性能，大大限制了水凝胶的应用领域，如智能传感器和电子皮肤。目前增韧导电水凝胶的有效方法是引入纳米填料和加入动态牺牲键，以实现有效的能量耗散机制，比如设计疏水缔合网络和双网络结构。
镓铟合金（EGaIn）作为一种熔点接近或低于室温的液态金属（LM），由于其优良的导电和导热性能，低熔点（15.6 ℃）和无毒性，已被广泛应用于电子器件、热管理、软体机器人和生物器件。此外，EGaIn可以通过超声波分散制备成EGaIn微球，可用作纳米填料。EGaIn微球与其他刚性纳米填料不同，它们可以适应聚合物基体的变形，从而有效地增韧聚合物。而且EGaIn微球具有优良的光热性能。同时，EGaIn中的镓（Ga）在暴露于空气中时很容易被氧化，形成致密的氧化镓层，它对大多数基材都有很好的附着力，即使是表面能量很低的基材。并且Ga3+能够与羧基、羟基进行配位，形成动态牺牲键，用于耗散能量。此外，EGaIn中的镓（Ga）可以引发乙烯基单体发生自由基聚合。因此，镓基液态金属具有改善聚合物基体机械性能的潜力。
鉴于此，中科院合肥物质研究院田兴友/张献团队联合郑州大学杨艳宇团队利用镓铟合金（EGaIn）引发聚合，同时作为柔性填料，构建了一种超拉伸和自愈合的LM/PVA/P(AAm-co-SMA)双网络水凝胶。刚性的PVA微晶网络和韧性的P(AAm-co-SMA)疏水网络的协同作用，以及聚合物网络之间的离子配位和氢键（多重物理交联），赋予了LM水凝胶优异的超拉伸性（2000%）、韧性（3.00 MJ/m3）、抗缺口性和自愈性（室温24 h愈合效率大于99%）。LM水凝胶表现出敏感的应变感应行为，可用于人机互动以实现运动识别和健康监测。另外由于EGaIn具有良好的光热效应和低红外发射率，LM水凝胶在红外伪装方面显示出巨大的潜力。
图1 (a) LM水凝胶的结构示意图。 (b) EGaIn微球被PVA、P(AAm-co-SMA)分子链包裹并存在于水凝胶基质中。(c) LM水凝胶的SEM图像和EDS图谱。(d) LM水凝胶-0和LM水凝胶-1.0的XPS图谱对比。(e) PVA水凝胶和LM水凝胶的FT-IR光谱。(f) LM水凝胶-0、LM水凝胶-0.6、LM水凝胶-1.0和AAm的FT-IR光谱。
图2 (a) LM水凝胶-1.0可以拉伸10倍以上。(b) LM水凝胶的物理交联的破坏和重组以及LM微球的变形和恢复的示意图。(c) LM水凝胶-1.0在手术刀片下压下没有被破坏，并且在刀片移开后迅速恢复。(d) LM水凝胶-n（n=0、0.6、0.8、1.0和1.5）的应力-应变曲线。(e) LM Hydrogel-n（n = 0, 0.6, 1.0, 和 1.5）的存储模量、损失模量和损失切线角的曲线与负载频率的关系。(f) LM水凝胶-1.0在100%、200%、300%、400%和500%的应变下的加载-卸载曲线。(g) LM Hydrogel-1.0在100%、200%、300%、400%和500%的拉伸下的耗散能量、总能量和耗散能量效率。(h) LM水凝胶-1.0拉伸400%后恢复0、5、15、30和60分钟的加载-卸载曲线。 (i) LM水凝胶-1.0拉伸400%后恢复0、5、15、30和60分钟的耗散能量和恢复效率。
图3 (a) 有缺口的LM水凝胶-0和有缺口的LM水凝胶-1.0的应力-应变曲线。(b) 带缺口的LM水凝胶拉伸前后的示意图。 (c) LM水凝胶的缺口阻力机制示意图。(d) 愈合3、6、16和24小时后的LM水凝胶与初始LM水凝胶的应力-应变曲线的比较。(e) 愈合后的LM水凝胶在再次拉伸后的愈合部位没有断裂。(f) LM水凝胶的导电自愈特性。切割后LM水凝胶的电流为0，接触后LM水凝胶的电流恢复了。(g) LM水凝胶在3、6、16和24小时内的应力、应变和导电性的自愈效率。 (h) LM水凝胶自愈合机理图。
图4 (a) 用LM水凝胶-1.0作为导线，灯泡被点亮。当水凝胶被拉伸时，灯泡就会变暗。(b) 不同LM含量的LM水凝胶的电导率都在0.55 S/m左右。(c) 不同应变下LM水凝胶-1.0的GF。(d) LM水凝胶-1.0在10%、20%、30%、100%、200%和300%的应变下，重复六次的电阻变化。(e) LM水凝胶-1.0在200%的应变下连续200次的电阻变化。(f) LM水凝胶的GF、自愈效率和伸展性超过了大多数报道的水凝胶。(g) LM水凝胶-1.0在压力下的GF。(h) LM水凝胶-1.0的压力敏感性。(i) LM水凝胶在不同压力下的电流变化率。
图5 运动检测：（a）手指弯曲角度，（b）手臂弯曲角度，（c）行走和跑步时的运动特征，（d）跳跃不同高度时的运动特征，（e）点头和摇头，（f）喝水，（g）皱眉，（h）不同字母的发声，以及（i）简单交流时的发声。
图6 (a) 压力传感器的原理图。(b, c) 在压力传感器上写 "CAS "和 "USTC "时的电阻变化。(d) 人机交互系统的示意图。(e) 戴着人机交互手套的志愿者打开他的手指，LED屏幕显示数字 "5"。(f) LM水凝胶制备的人机交互手套根据志愿者手指的弯曲情况显示数字。
图7 (a) 808 nm近红外激光照射下的LM水凝胶薄膜示意图。(b) 808 nm近红外照射下的LM水凝胶薄膜的温度变化。(c) 不同激光强度下LM水凝胶薄膜的温度变化曲线。(d) 808 nm近红外辐照60秒后，LM水凝胶薄膜的温度随激光功率的变化而变化。(e) LM水凝胶薄膜的光热稳定性。(f) LM水凝胶薄膜的动态红外伪装能力。(g) 带有LM表面涂层的LM水凝胶薄膜的静态红外伪装能力。
该成果以题为“Self-Healing Liquid Metal Hydrogel for Human-Computer Interaction and Infrared Camouflage”发表在国际知名期刊Materials Horizons上，中科院合肥物质研究院固体所研究生李宵飞为第一作者，中科院合肥物质研究院固体所研究员张献和郑州大学副教授杨艳宇为共同通讯作者。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00341h
来源：高分子科学前沿
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