《Science Bulletin》：Liquid metal composites with ultra-low loading, environmental adaptability, excellent adhesion, and closed-loop recyclability
编辑推荐：
摘要导电聚合物复合材料对于新兴的柔性可穿戴电子设备至关重要。然而，在低填料含量下实现高导电性、环境鲁棒性和可回收性仍然是一个重大挑战。在这里，我们介绍了一种动态共价交联聚氨酯网络，其临时的处理窗口可以调控液态金属的沉降和蒸发诱导的团聚，从而无需后处理即可实现连续导电性，同时具有优
摘要
导电聚合物复合材料对于新兴的柔性可穿戴电子设备至关重要。然而，在低填料含量下实现高导电性、环境鲁棒性和可回收性仍然是一个重大挑战。在这里，我们介绍了一种动态共价交联聚氨酯网络，其临时的处理窗口可以调控液态金属的沉降和蒸发诱导的团聚，从而无需后处理即可实现连续导电性，同时具有优异的粘附性和极强的环境适应性。激活后的动态聚合物网络的处理窗口能够在30 wt%的低填料含量下促进微滴团聚成稳定的导电通道，经过处理优化后，其导电性可超过10? S m?1。该复合材料在-196°C至120°C的温度范围内、长期化学暴露下以及持续机械应力作用下均保持稳定的电性能和机械性能。此外，这种动态共价网络能够高效回收超过95%的液态金属，且网络重构后能够大部分恢复原有的性能。这种材料设计解决了导电性、耐用性和可回收性之间的长期矛盾，为高性能柔性可穿戴电子设备提供了一个可扩展和可持续的平台。
引言
基于镓的液态金属（LM）在室温下既具有金属导电性又具有流体可塑性，使其成为可拉伸电子产品的理想填料[1],[2],[3]。通过将LM微滴分散在聚合物基体中，聚合物-LM复合材料可以实现高导电性和显著的拉伸性[4],[5],[6],[7]。然而，要实现高导电性通常需要非常高的LM含量，这会导致泄漏问题并影响机械完整性；或者需要后处理烧结来破坏围绕LM微滴的绝缘氧化层。这种烧结过程能耗较高，并可能引入结构缺陷[8],[9],[10]。这些限制阻碍了LM复合材料的实际应用。
开发低填料含量的自烧结LM复合材料是一个有前景的替代方案。已报道的策略包括互锁结构、刚/软混合填料和氢掺杂，这些方法可以将渗透阈值从90%以上降低到约50%[11],[12],[13]。然而，这些方法通常依赖于复杂的加工工艺或外部激活来生成导电途径[14],[15]。蒸发诱导烧结利用溶剂去除过程中产生的毛细力促进氧化层破裂和LM微滴团聚，从而在材料制备过程中形成导电网络，而无需后续的机械或激光激活。这种温和简单的工艺适用于多种基材的涂层和印刷，因此在实际应用中具有明显优势[16]。最近，通过化学修饰天然氧化层实现了无需烧结的导电性。聚偏二氟乙烯已被证实可以作为F供体，将绝缘的Ga?O?壳转化为n型半导体界面，从而允许电子在相邻LM微滴间传输，而不会破坏氧化层[17]。然而，这些方法通常需要额外的纳米纤维组分或特定表面配体修饰来调控微滴的稳定性和团聚。利用动态聚合物处理窗口来控制LM的沉降、团聚、界面稳定性和材料回收的研究还较少。环境稳定性也是一个关键问题。许多报道的复合材料使用热塑性基体，其在恶劣条件下的热稳定性和化学稳定性有限[18],[19],[20]。此外，许多传统导电材料缺乏内在粘附性或粘附强度不足，需要额外的粘合层或粘合剂的帮助才能与不同基材结合[21],[22]。此外，包括孔隙密封[23]、二次填料[24]和永久交联在内的防泄漏策略往往使复合材料难以回收[25]，进一步加剧了电子废弃物的问题。
为了解决这些问题，我们设计了一种基于动态共价交联聚氨酯基体的LM复合材料。该复合材料的整体设计概念和环境响应在图1a中进行了总结。LM在激活聚合物网络的临时解离和重构窗口期间引入，而不是在聚合过程中引入，从而避免了对网络形成的干扰。这一处理窗口减少了聚合物对LM微滴的包封，使LM微滴能够在聚合物基体内沉降并形成富LM的导电区域（图1b）。随后的蒸发诱导团聚形成了连续的导电路径，而网络重构稳定了最终结构。在固定的浇铸和加工条件下，该复合材料在30 wt%的LM含量下实现了超过10? S m?1的连续导电性，且无需后处理中的机械或激光激活。所得材料具备环境适应性、内在粘附性和可回收性，其性能与代表性的LM复合材料相当（图1c和d）。交联网络在水和有机溶剂中保持其结构和电性能的完整性，其内在粘附性支持在绝缘基材上的电路修复和导电图案化。可逆的网络解离进一步实现了聚合物和LM相的分离和再利用，LM的回收效率超过95%，同时保留了电性能、机械性能和粘附性能。这项工作展示了一种动态网络策略，它结合了便捷的导电路径形成、环境适应性、粘附性和材料回收，为可持续的柔性电子设备提供了一条实用的途径。
章节摘录
ODAPU-LMx的制备
ODAPU经过热激活后溶解在氯仿中，然后加入不同质量分数的LM。超声分散后，混合物被倒入PTFE模具中，经过沉降、溶剂蒸发和真空干燥得到ODAPU-LMx复合薄膜。其中，x代表复合材料中LM的质量分数。详细的制备条件详见补充材料。
ODAPU-LMx复合材料的制备
基于我们之前关于动态聚氨酯（ODAPU，见在线图S1）的研究[26]，通过超声处理将LM微滴掺入激活的ODAPU基体中，制备了一系列不同LM含量的ODAPU-LMx复合材料（见在线图S2a和表S1）。X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了氧化物包覆的LM微滴的掺入，并表明LM氧化物之间存在非共价相互作用……
结论
我们开发了一种动态交联聚氨酯-LM复合材料，它集成了高导电性、环境鲁棒性、优异的粘附性和闭环可回收性。动态聚合物网络的临时处理窗口调控了LM的沉降、紧密堆积和蒸发诱导的团聚，随后的网络重构稳定了导电结构。因此，该复合材料的导电性超过了10? S m?1。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号U25A20251和52473004）、长江三角洲科技创新共同体联合研究计划（基础研究，项目编号2025CSJZN00800）、泰山产业专家计划（项目编号tscx202507143）、上海市自然科学基金基础研究资助（项目编号25ZR1402008）以及中央高校基本科研业务费（项目编号2232026A3和2232026D07）的支持。
作者贡献
孙伟和游正伟提出了研究思路并进行了监督……
钱波|史安琪|徐琳|王一涵|陈海亮|刘广晨|赵哲辰|孙伟|游正伟
