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  液態(tài)金屬由于其低熔點(diǎn)（低于300℃）、高沸點(diǎn)（高于1000℃）、低粘度、高表面張力、高體積電導(dǎo)率（106 S·m-1）、廣泛的金屬溶解能力、多重響應(yīng)性以及表面天然二維納米氧化膜等優(yōu)異且獨(dú)特的性質(zhì)，而在催化、電化學(xué)、生物醫(yī)藥、柔性電子等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。近來，液態(tài)金屬和PDMS等高分子材料制備的新型復(fù)合材料展示出高韌性、高導(dǎo)電率、缺口不敏感性以及自修復(fù)等優(yōu)異性能，但液態(tài)金屬與水凝膠的結(jié)合卻少有報(bào)道，值得深入研究。

  近期，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所李朝旭研究員在AdvancedFunctional Materials上發(fā)表了一篇題為“Liquid Metal Droplets Wrapped with Polysaccharide Microgel as Biocompatible Aqueous Ink for Flexible Conductive Devices”的研究論文。該論文采用超聲技術(shù)將鎵銦共晶（EGaIn）分散在低濃度海藻酸溶液中，制備出一種高導(dǎo)電率的納米尺寸海藻酸微凝膠包裹的液態(tài)金屬液滴的生物墨水。

圖1. （A）海藻酸凝膠包裹EGaIn納米液滴墨水的制備示意圖；EGaIn液滴的SEM圖像（B）和TEM圖像（C）；不同海藻酸濃度下納米液滴殼壁厚度（D）和液滴直徑（E）（比例尺為100 nm）。

  如圖1所示，海藻酸不僅通過羧基與金屬液滴表面的Ga3+的相互作用促進(jìn)EGaIn的粒徑從400nm減小至100nm，并且與表面Ga3+產(chǎn)生螯合作用形成一層類似雞蛋殼的堅(jiān)固且不透氧氣的納米凝膠層。純水中的液態(tài)金屬納米微粒僅能穩(wěn)定存在6小時(shí)以內(nèi)，而微凝膠層極大地提高了納米液態(tài)金屬膠體的穩(wěn)定性，使其可在空氣中穩(wěn)定存在7天以上，并在氮?dú)獗Ｗo(hù)中穩(wěn)定存在超過60天。此外，由于海藻酸層中富含羧基等極性基團(tuán)，使得EGaIn液滴可以通過噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷等方式附著在多種基底表面，并可通過“機(jī)械力燒結(jié)”恢復(fù)到接近EGaIn的電導(dǎo)率（4.8×105S·m-1）。而且由于液態(tài)金屬液滴與海藻酸殼以及基底的強(qiáng)相互作用，使得液態(tài)金屬墨水難以發(fā)生失水開裂。最后，海藻酸通過束縛有細(xì)胞毒性重金屬Ga3+離子和自身極好的生物相容性，進(jìn)一步提高了液態(tài)金屬液滴的生物相容性。

圖2. EGaIn液滴在空氣中7天（A）和氮?dú)庵?0天（B）的SEM圖像；（C）氮?dú)庵胁煌瑑?chǔ)存時(shí)間的EGaIn液滴XRD圖像；（D）EGaIn液滴在海藻酸、水、羧甲基纖維素、透明質(zhì)酸、吉蘭糖膠、殼聚糖超聲后的膠體穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性；（E）EGaIn液滴有無海藻酸殼包裹的生物毒性。

圖3. （A）不同基質(zhì)上的圖案化；（B）無裂紋涂層的SEM圖像；（C）機(jī)械燒結(jié)原理示意圖；（D）燒結(jié)后涂層的SEM圖像；（E）不同機(jī)械燒結(jié)壓力下涂層電導(dǎo)率以及不同粒徑的臨界燒結(jié)壓力；（F）燒結(jié)后涂層導(dǎo)電穩(wěn)定性。

  液態(tài)金屬液滴燒結(jié)后除了提高材料的電導(dǎo)率外，還使得材料可以通過電場加熱脫水變形，并在70%的相對濕度下快速恢復(fù)。

圖4.  A. EGaIn生物墨水（5μm）U型涂覆在納米纖維素基底上（110μm）；B. 焦耳熱引發(fā)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)；C. 不同電壓下的最大變形；EGaIn生物墨水涂覆的PU泡沫（D）以及機(jī)械燒結(jié)前（E,F）和燒結(jié)后（G）液態(tài)金屬層在纖維支架上的圖像；（H）EGaIn生物墨水涂覆PU泡沫相對電阻隨壓縮應(yīng)變的變化；（I）EGaIn泡沫作為壓力傳感器；（J）壓縮應(yīng)力導(dǎo)致的孔變化

圖5.  EGaIn泡沫用作運(yùn)動(dòng)傳感器。（A,B）對腕部和頭部運(yùn)動(dòng)的傳感；（C）5×5的位置傳感器；（D）位置傳感器相對阻值的變化。

  本文采用超聲技術(shù)，方便的將鎵銦共晶（EGaIn）分散在低濃度海藻酸溶液中，海藻酸不僅通過羧基與金屬液滴表面的Ga3+的相互作用促進(jìn)EGaIn粒子的納米化，并且與表面Ga3+產(chǎn)生螯合作用形成一層類似雞蛋殼的堅(jiān)固且不透氧氣的納米凝膠層，大大提供了金屬納米液滴的分散穩(wěn)定性，這種高導(dǎo)電率的納米尺寸海藻酸微凝膠包裹的液態(tài)金屬液滴可用于柔性導(dǎo)電器件的生物墨水使用。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201804197