来源 | FQ课题组，Small Methods
原文 | https://doi.org/10.1002/smtd.202200246
01 背景介绍
镓基液态金属如镓、共晶镓-铟合金和共晶镓-铟-锡合金很有希望被用作新一代软功能材料和可拉伸电子产品，它们具有强大的功能性，如高导电性、导热性，好的柔性、可变形性，低的毒性，并且在室温下几乎不会挥发等。然而，由于其固有的高表面张力和易流动性，想要直接将液态金属复合成聚合物复合材料而没有任何泄漏，或加工成具有精确结构的液态金属软材料仍然具有挑战性。为了解决上述问题，本研究通过含有孤对电子的无机材料来改性液态金属，以获得低表面张力的液体、半固态糊状甚至固态粉末等三种物理状态的复合材料。两者之间的改性机理通过XPS,DFT,EELS来探究。
02 成果掠影
四川大学傅强教授和吴凯副研究员报道了一种新型机械力化学作用，可以实现按需合成稳定且可加工的液态金属 (LM) 复合材料。研究团队通过选择含有孤对电子的无机材料来对液态金属进行改性，可以按需将液态金属加工成低表面张力的液体、半固态糊状甚至固态粉末三种物理状态的复合材料，其具有出色的热力学和动力学稳定性以及可调节的特性。改性机理基于液态金属和无机材料之间的交叉机械化学作用，通过前者提供空轨道，后者提供孤对电子来形成配位结合。该机理由密度泛函理论计算和电子能量损失谱验证，并通过相关实验证明其普遍适用于各种液态金属（或低熔点合金）和无机材料。研究成果以“A Universal Mechanochemistry Allows On-Demand Synthesis of Stable and Processable Liquid Metal Composites”为题发表于《Small Methods》期刊。(Small Method, 2022, DOI: 10.1002/smtd.202200246)
通讯作者为四川大学的吴凯副研究员和傅强教授。四川大学的硕士研究生吴蝶为本文的第一作者，香港大学的博士生刘丁侥也为本工作作出了突出的贡献。研究工作经费支持来源于国家自然科学基金青年基金项目（No. 52103091）、江苏省自然科学基金青年基金(No. BK20200501）和四川省科技计划（No.2021ZHCG0023）。
03 图文导读
图1.液态金属复合材料的机械化学合成和形态控制。
图 2. LM 复合材料的高分辨率透射电子显微镜和电子能量损失光谱。
本工作制备的LM 复合材料因其出色的热力学和动力学稳定性以及可调节的特性在许多先进的领域中有着广泛的应用。例如，固体粉末状 LM 复合材料的内核是刚性的，而外部是柔软的，这为聚合物复合材料中无机填料的新表面改性和功能化开辟了机会。我们展示了一种具有出色导热性的 AlN/LM 复合粉末材料。将AlN/LM复合材料加入PDMS中，可将PDMS的导热系数从0.18 W/(m·K)提高到8.13 W/(m·K)。PDMS/AlN/LM 复合材料可用作强大的电子芯片、中央处理器和发光二极管 (LED) 中的热界面材料。
图 3.AlN/LM复合材料粉末用于热界面材料。
对于 LM半固态糊状复合材料，它们有望解决LM 的高导电性和良好的加工能力之间的权衡。我们制得的LM 半固态糊状复合材料是可变形的，可以将 LM 复合材料重新塑造成各种形状。它们在热界面材料、电磁屏蔽和紫外线屏蔽的应用中显示出重要的潜力。例如，具有 50% LM 体积含量的软 AlN/LM 复合材料表现出高达 75.11 W/m·K 的显著平面外热导率。并且它还表现出优异加工性和良好的可变形性。这些基本特性优于最先进的热管理材料，如最先进的导热油脂、凝胶和相变材料。
对于LM 低表面张力的液体复合材料，可用作商业印刷图案技术的导电油墨。我们在文章中展示了一种可流动的 Al2O3/LM 墨水，它可以通过丝网印刷技术图案化成设计的特征，即使在拉伸、扭曲和戳刺后也没有观察到泄漏或聚集的液滴。
图4.一种Al2O3/LM 液体墨水，可以用于打印制备可拉伸电子设备。
04 结论展望
本工作提出的一种制备低熔点金属及其合金复合材料高效方法可以根据应用场景定制具有不同形态特征和特征功能的LM复合材料，从而使LM可在聚合物复合材料、软材料和可拉伸电子产品等领域有着广泛应用。
