《AM》黃維院士團隊：液態(tài)金屬水凝膠！

液態(tài)金屬（LM）水凝膠作為柔性電子器件和軟體機器人領(lǐng)域的理想材料備受關(guān)注，但其結(jié)構(gòu)過于簡單、精度有限且功能設(shè)計性不足等問題亟待解決。本研究首次實現(xiàn)了對三維（3D）LM水凝膠進行微米級（10 μm）精度的數(shù)字化光加工，并構(gòu)建出任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)。我們開發(fā)了一種通用策略：通過用海藻酸鈉（SA）包裹液態(tài)金屬液滴來制備光固化型LM基樹脂材料。該SA涂層不僅能通過形成氫鍵和離子鍵防止墨水沉降及自聚合，還能確保墨水均勻分散并保持光固化性能。經(jīng)光固化處理后的3D LM水凝膠展現(xiàn)出顯著提升的拉伸延展性（達2000%）和循環(huán)穩(wěn)定性（在500%應(yīng)變下可承受800次循環(huán)），性能遠超現(xiàn)有大多數(shù)3D水凝膠。此外，該材料還表現(xiàn)出更高的靈敏度和可調(diào)光熱響應(yīng)特性，在應(yīng)變傳感器、物體抓取機器人、遠程控制設(shè)備及防偽系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

圖1 SLM 納米顆粒的制備與表征。(a) 通過探頭超聲處理法制備 SLM 納米顆粒。(b) SLM 納米顆粒的TEM圖像。(c) Ga 2p的高分辨率 XPS 譜圖。(d) 純水中LM納米顆粒及SA溶液中 SLM 納米顆粒在7天后的粒徑分布直方圖；插圖為LM分散液的對應(yīng)照片。(e) 純水中LM納米顆粒在7天后的SEM圖像。(f) SA溶液中 SLM 納米顆粒在180天后的SEM圖像。(g) 添加 SLM 或LM納米顆粒后單體溶液的流變學(xué)特性；插圖為添加 SLM 和LM納米顆粒15小時后含AM單體溶液的傾斜瓶照片。(h) 含 SLM 、LM納米顆粒及AM的水溶液的EPR譜圖。(i) Ga3?與SA、AM、水及PEG分子的結(jié)合能。(j) 氧化鎵與吸附的SA及水之間的電荷密度差。

圖2 SLM 基水凝膠的3D DLP打印工藝及力學(xué)性能。(a) 光聚合示意圖：含單體、 SLM 納米顆粒、光引發(fā)劑和交聯(lián)劑的液態(tài)前驅(qū)樹脂在受控光照下交聯(lián)形成三維打印物體。(b) PAM- SLM 水凝膠內(nèi)部相互作用示意圖。(c) 前驅(qū)樹脂的流變曲線。(d) PAM- SLM 與PAM水凝膠的 FTIR 譜圖。(e) 高分辨率PAM- SLM 水凝膠的SEM圖像。(f) 大塊PAM- SLM 水凝膠截面的SEM圖像及對應(yīng)的EDS分布圖。(g，h) 不同泊松比打印結(jié)構(gòu)的照片。(i) 可變形龍形結(jié)構(gòu)的照片。(j) 展示PAM- SLM 水凝膠壓縮特性的數(shù)字圖像。(k) 具有不同二維結(jié)構(gòu)（拉伸主導(dǎo)晶格與彎曲主導(dǎo)晶格）的多材料水凝膠的3D打印結(jié)果。(l) 不同應(yīng)變下拉伸PAM- SLM 水凝膠的數(shù)字圖像。(m) 不同 SLM 含量PAM- SLM 水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(n) PAMSLM 水凝膠的彈性模量與拉伸強度。(o) 不同應(yīng)變下PAM- SLM 水凝膠的加載-卸載曲線。(p) 不同應(yīng)變下PAM- SLM 水凝膠的耗散能與滯后率。

圖3 不同單體制備的 SLM 基水凝膠的制備與表征。(a) HEA、 NIPAM 、HEA/ NIPAM 及AM/PAAS的分子結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 不同單體制備的 SLM 基樹脂照片。(c–f) 不同單體樹脂中 SLM 納米顆粒的粒徑分布直方圖。(g–j) 使用不同油墨制備具有梯度結(jié)構(gòu)的 SLM 基水凝膠的3D打印結(jié)果。(k) 不同單體制備的 SLM 基樹脂的Zeta電位。(l) 四種 SLM 基水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(m) 彈性模量與拉伸強度；(n) 斷裂應(yīng)變及斷裂功。

圖4 PAA- SLM 水凝膠的傳感性能。(a) 不同結(jié)構(gòu)的3D打印PAA- SLM 水凝膠照片。(b) 各種PAA- SLM 水凝膠結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷100%拉伸應(yīng)變后的照片。(c) 不同結(jié)構(gòu)的PAA- SLM 水凝膠在0%至400%應(yīng)變范圍內(nèi)的電阻變化。(d) 本研究與近期報道的3D打印水凝膠傳感器在GF和應(yīng)變方面的結(jié)果對比。(e) 3D LM水凝膠加載與卸載過程中的電阻變化。(f) 本研究的電滯回線與應(yīng)變數(shù)據(jù)與近期報道的應(yīng)變傳感器結(jié)果對比。(g) 在0.25、0.5和1 Hz頻率下循環(huán)拉伸/釋放過程中的電阻變化。(h) PAA- SLM 傳感器在100%應(yīng)變條件下經(jīng)過1000次循環(huán)后的相對電阻值。(i) 當(dāng)揚聲器分別說出“LM”、“Hydrogel”和“Sensor”時，傳感器的電阻響應(yīng)曲線。

圖5 多材料水凝膠的 NIR 響應(yīng)性4D打印。(a)展示3D打印 PNIPAM -SLM1水凝膠在激光照射下的形狀收縮過程及冷卻后的形狀恢復(fù)。(b)不同 SLM 含量的3D打印水凝膠在 NIR 光照射下的光熱效應(yīng)隨時間變化。(c)不同光照強度下 PNIPAM -SLM1水凝膠在 NIR 光下的溫度變化。(d) PNIPAM -SLM1水凝膠經(jīng)過20次循環(huán)后的光熱響應(yīng)表現(xiàn)。(e)具有 NIR 誘導(dǎo)4D響應(yīng)及冷卻恢復(fù)特性的多材料水凝膠結(jié)構(gòu)示意圖與圖像：上層為 NIR 響應(yīng)型 PNIPAM -SLM1水凝膠，下層為非響應(yīng)型PAM水凝膠。(f)三種不同結(jié)構(gòu) PNIPAM -SLM1水凝膠的 NIR 響應(yīng)速度對比。(g)4D打印花朵在 NIR 光下彎曲的實驗照片。(h) NIR 光對3D打印材料形狀變形的可控調(diào)控。(i) NIR 響應(yīng)型水凝膠釋放物體的演示。(j)柔性超級電容器的光熱調(diào)控示意圖。(k)超級電容器經(jīng)光熱形變前后的循環(huán)伏安曲線。（l，m）十字形水凝膠實現(xiàn)LED遠程控制的演示。

圖6 用于密碼顯示裝置的一步式3D打印多材料水凝膠。(a) 展示八進制編碼的光熱誘導(dǎo)4D打印水凝膠的示意圖、照片及紅外熱成像圖像。(b) 將16位八進制編碼轉(zhuǎn)換為3D打印結(jié)構(gòu)的示意圖。(c) 密碼驗證過程的示意圖：該多材料水凝膠在 NIR 光照射下，要么保持原始形狀（表示驗證失敗），要么彎曲成螺旋形（表示驗證成功）。(d) 多材料水凝膠經(jīng)加密存儲后的高分辨率照片。(e) 4D信息加密與驗證過程示意圖：多材料水凝膠包含信息區(qū)域和驗證區(qū)域；信息區(qū)域可通過 NIR 光讀取，驗證區(qū)域經(jīng)切割后可持續(xù)驗證信息區(qū)域的有效性。

Advanced Materials, 2026; 0:e73495

https://doi.org/10.1002/adma.73495