一、研究概述
传统金属和高分子材料各自具有独特的优异性能，但由于其固有特性的冲突，长期以来两者的优势难以在单一材料中实现。能否通过有效的结构设计，突破材料的性能限制，实现金属和高分子材料有机融合，从而充分实现两者的优势？
针对上述问题，张晔课题组创制了一类新的材料体系——“金属凝胶”。该材料以液态金属为流动相，通过弹性聚氨酯高分子与液态金属之间的静电相互作用，将金属流体连续且稳定地固定在交联的三维高分子网络中。因其结构特征符合凝胶材料的定义，故命名为“金属凝胶”（图1）。该体系巧妙地将金属材料的优异性能（如高电导率）与高分子材料的独特优势（如优异柔弹性）有机结合，突破了传统材料的性能边界。
图1.金属凝胶的实物图
二、导电弹性体的难题与需求
导电弹性体在软体机器人等重大新兴领域中发挥至关重要的作用。理想的导电弹性体需同时具备10^6 S/m的金属级电导率以有效降低器件内阻，并能在经历百万次拉伸循环后依然保持性能稳定，以满足应用场景的需求。这对现有导电弹性体材料构成了巨大挑战。目前主流策略是将导电填料掺入高分子基体形成复合材料，但存在明显问题：刚性填料（如金、银纳米线）在拉伸过程中倾向于在高分子基质中随机迁移，导致循环拉伸后电阻显著增加；而柔性填料（如镓基液态金属）在反复形变过程中则容易在高分子基体中发生聚集或从内部泄漏，造成电导率大幅波动。
三、新型金属凝胶
研究团队从弹性水凝胶的结构中获得启发，设计开发出一种新型金属凝胶，聚氨酯网络能够与液态金属产生静电相互作用，从而将质量分数为93.60%的金属流体以连续贯通的结构填充固定在三维高分子网络中（图2）。富含动态可逆结构的三维高分子网络为循环拉伸提供了稳定耐用的力学支撑，静电相互作用作为“锚点”使液态金属连续体能够与高分子网络同步变形，从而使液态金属连续体在反复变形下保持结构稳定。
这种独特的结构设计使得金属凝胶具备了金属般的电学性能与橡胶般的力学性能（图3）。其中，平均电子电导率高达3 × 106 S·m‒1，与传统金属在同一数量级。单轴拉伸量最大可达1100%，具有与生物软组织匹配的杨氏模量（264 kPa），且较高的韧性（10.07 MJ∙m −3）。更重要的是，经过100万次100%拉伸量的极端循环拉伸测试后，金属凝胶表现出稳定的电学性能，电阻变化仅为3.3%。
金属凝胶的优异性能突破了传统材料的性能边界（图4）。与金属材料相比，该凝胶在保持可比电导率的同时，展现出优异的机械耐久性——能够在100%拉伸变形下承受高达百万量级的循环负载而保持稳定，这一性能指标远超常规金属材料的承受能力。与现有导电复合材料相比，金属凝胶不仅具有前所未有的超长循环寿命(可达100万次级别)，还表现出优异的电导率和电性能稳定性——即使在经历极端反复拉伸后，其金属级电导率仍能保持近乎恒定。这种机械耐久性与电性能稳定性的结合，为软体机器人、生物电子等前沿应用领域提供材料基础。
图4. 金属凝胶的性能与现有材料体系的对比
研究团队通过系统表征揭示了金属凝胶优异性能与其结构设计之间的内在联系。二维广角X射线散射与变温傅里叶变换红外光谱表明，动态氢键与高分子链的可逆取向行为共同赋予了高分子网络优异的力学性能。通过对比循环拉伸前后羰基红外光谱特征峰的偏移值，研究团队发现金属凝胶中的静电相互作用在整个变形过程中始终保持稳定，发挥着分子锚点的关键作用。同时，扫描电子显微镜的横截面照片也证明，液态金属连续体在反复循环拉伸过程中保持结构完整性。
对照实验进一步验证了这一结论——缺失任何一个关键结构因素都会导致材料性能显著下降。这些结果共同证明，弹性高分子网络通过静电相互作用固定液态金属连续体的结构设计是实现优异电学和力学性能的根本机制。
相关成果以A Durable Metalgel Maintaining 3×106 S∙m‒1 Conductivity Under 1,000,000 Stretching Cycles为题发表在Advanced Materials上。菠菜导航担保网博士生李旭嵩、王嘉诚为该论文的共同第一作者，张晔副教授为论文的通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省创新人才创业计划等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202420628
