可在導(dǎo)體與絕緣體之間快速轉(zhuǎn)變的材料在理論研究以及工業(yè)應(yīng)用方面都有著非常重要的價(jià)值。傳統(tǒng)的導(dǎo)體絕緣體轉(zhuǎn)變材料主要集中在如二氧化釩、鈣鈦礦、有機(jī)薄膜等固體材料，需要較為復(fù)雜的制備工藝和刺激條件，并且本身不具備柔性和可拉伸性能，限制了其更為廣泛的應(yīng)用。

液態(tài)金屬是在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的一種金屬，具有表面張力大、沸點(diǎn)高、導(dǎo)電性強(qiáng)及熱導(dǎo)率高等優(yōu)異特性，清華大學(xué)劉靜研究小組基于多年的液態(tài)金屬研究基礎(chǔ)，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬與特定粘度的硅膠材料按照一定比例混合后，可自然固化形成復(fù)合材料。該材料中的液態(tài)金屬微顆粒周邊為硅膠所包裹，在室溫時(shí)呈絕緣特性。然而當(dāng)該材料遇到低溫觸發(fā)后，可從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，且材料升溫后可再次恢復(fù)絕緣狀態(tài)（圖1）。值得注意的是，相應(yīng)轉(zhuǎn)變不僅可逆，且能重復(fù)100次以上而無明顯結(jié)構(gòu)破壞和電學(xué)性能降低，最大拉伸幅度可至原長的780%。這種材料制備工藝簡單，可以3D打印，對(duì)于發(fā)展未來柔性可拉伸半導(dǎo)體器件、溫度開關(guān)、智能可穿戴設(shè)備乃至外太空等極端環(huán)境探測(cè)用傳感器具有重要意義。

圖1. 可拉伸材料在溫度刺激下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體-絕緣體可逆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬（鎵銦合金）在凝固過程中體積會(huì)對(duì)應(yīng)增大。液態(tài)金屬微顆粒由于被絕緣的硅膠隔絕，其最初呈絕緣特性，而在低溫作用下，導(dǎo)電的液態(tài)金屬發(fā)生相變凝固的同時(shí)出現(xiàn)快速膨脹；與此相反的是，絕緣硅膠則在低溫刺激下收縮，于是液態(tài)金屬顆粒被擠出硅膠膜從而形成互相連通，由此呈現(xiàn)出導(dǎo)電特性。受熱之后，硅膠恢復(fù)彈性，而液態(tài)金屬顆粒則由固體熔化成液態(tài)而導(dǎo)致體積減小，重新回歸到被硅膠包裹狀態(tài)，呈現(xiàn)絕緣性質(zhì)（圖2）。

圖2. 低溫誘導(dǎo)金絕緣體-導(dǎo)體可逆轉(zhuǎn)換機(jī)理

為驗(yàn)證新這種新的可逆轉(zhuǎn)變導(dǎo)體-絕緣體（transitional insulator and conductor, TIC）材料作為溫度開關(guān)方面的性能，研究小組還特別設(shè)計(jì)制作了一個(gè)基于TIC的電路置于四驅(qū)車內(nèi)部，其在室溫下時(shí)為絕緣狀態(tài)。當(dāng)對(duì)TIC進(jìn)行冷凍，四驅(qū)車立即啟動(dòng)奔跑，當(dāng)TIC材料恢復(fù)室溫后，電路又自動(dòng)斷開，四驅(qū)車?yán)^而停止運(yùn)動(dòng)（圖3）。

圖3.低溫開關(guān)展示

進(jìn)一步地，文章還展示了利用TIC材料作為溫度傳感器，結(jié)合單片機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備，研制了可通過環(huán)境溫度改變實(shí)現(xiàn)不同圖案功能的顯示裝置。如圖4所示，改變溫度可顯示清華大學(xué)英文首字母THU及0-9阿拉伯?dāng)?shù)字。

圖4. 基于TIC材料的溫控顯示裝置

值得一提的是，該材料在低溫刺激下展現(xiàn)的絕緣體-導(dǎo)體轉(zhuǎn)變特性還有望用于月球探索中。在月球夜晚極低溫環(huán)境下，材料從絕緣體轉(zhuǎn)為導(dǎo)體，連通電路開展工作；而在月球白晝溫度上升時(shí)，材料又恢復(fù)絕緣狀態(tài)，開關(guān)斷開，設(shè)備停止工作，此過程無需加載復(fù)雜的嵌入式控制系統(tǒng)。

這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials上，文章的第一作者是清華大學(xué)博士研究生汪鴻章和姚又友。

原文（掃描或長按二維碼，識(shí)別后直達(dá)原文頁面）：

A Highly Stretchable Liquid Metal Polymer as Reversible Transitional Insulator and ConductorHongzhang Wang, Youyou Yao, Zhizhu He, Wei Rao, Liang Hu, Sen Chen, Ju Lin, Jianye Gao, Pengju Zhang, Xuyang Sun, Xiangjiang Wang, Yuntao Cui, Qian Wang, Shijin Dong, Guozhen Chen, Jing LiuAdv. Mater., 2019, 31, 1901337, DOI: 10.1002/adma.201901337

劉靜教授簡介

劉靜，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員。清華大學(xué)工學(xué)士（能動(dòng)系）、理學(xué)士（物理系）、工學(xué)博士（能動(dòng)系）；曾為美國普渡大學(xué)博士后、麻省理工學(xué)院高級(jí)訪問學(xué)者，先后入選中國科學(xué)院及清華大學(xué)百人計(jì)劃。系2003年國家杰出青年科學(xué)基金獲得者；曾獲國際傳熱界最高獎(jiǎng)之一“The William Begell Medal”、全國首屆創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)、中國制冷學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、ASME會(huì)刊Journal of Electronic Packaging年度唯一最佳論文獎(jiǎng)、入圍及入選“兩院院士評(píng)選中國十大科技進(jìn)展新聞”各1次，入選CCTV 2015年度十大科技創(chuàng)新人物等。出版有14部跨學(xué)科前沿著作（其中之一印刷5次）及20篇應(yīng)邀著作章節(jié)；發(fā)表期刊論文500余篇（含30余篇英文封面或封底故事）；已獲授權(quán)發(fā)明專利190余項(xiàng)。

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