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  可在導體與絕緣體之間快速轉變的材料在理論研究以及工業(yè)應用方面都有著非常重要的價值。傳統(tǒng)的導體絕緣體轉變材料主要集中在如二氧化釩，鈣鈦礦，有機薄膜等固體材料，需要較為復雜的制備工藝和刺激條件，這限制了其更廣泛的應用。近日，清華大學劉靜教授課題組提出基于室溫液態(tài)金屬與硅膠材料，發(fā)明并研制出一種可實現溫控導體-絕緣體轉變功能的復合材料（TIC），相應轉變不僅可逆，且能重復100次以上而無明顯結構破壞，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，基于這一新材料對于發(fā)展未來柔性可拉伸半導體器件、溫度開關、智能可穿戴設備乃至外太空等極端環(huán)境探測用傳感器具有重要意義。

  課題組在大量的實驗研究中發(fā)現，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，在室溫時呈絕緣特性。然而當該材料遇到低溫觸發(fā)后，可從絕緣態(tài)轉變?yōu)閷w，且材料升溫后可再次恢復絕緣狀態(tài)（圖1）。值得注意的是，這一轉變過程可以重復100次以上而沒有出現明顯的結構破壞和電學性能變化。整個過程中，材料可以反復拉伸，在拉伸狀態(tài)仍可以實現快速絕緣體-導體轉變。

圖1 可拉伸材料在溫度刺激下實現導體-絕緣體可逆轉變現象

  進一步的研究發(fā)現，液態(tài)金屬（鎵銦合金）在凝固過程中體積會對應增大。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，導電的液態(tài)金屬發(fā)生相變凝固的同時出現快速膨脹；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，由此呈現出導電特性。受熱之后，硅膠恢復彈性，而液態(tài)金屬顆粒則由固體熔化成液態(tài)而導致體積減小，重新回歸到被硅膠包裹狀態(tài)，呈現絕緣性質（圖2）。

圖2 低溫誘導金絕緣體-導體可逆轉換機理

  為驗證新材料作為溫度開關方面的性能，課題組還特別設計制作了一個基于TIC的電路置于四驅車內部，其在室溫下時為絕緣狀態(tài)。當對TIC進行冷凍，四驅車立即啟動奔跑，當TIC材料恢復室溫后，電路又自動斷開，四驅車繼而停止運動（圖3）。

圖3 低溫開關展示

  進一步地，文章還展示了利用TIC材料作為溫度傳感器，結合單片機和藍牙設備，研制了可通過環(huán)境溫度改變實現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英文首字母THU及0-9阿拉伯數字(視頻3)。

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的絕緣體-導體轉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，材料從絕緣體轉為導體，連通電路開展工作；而在月球白晝溫度上升時，材料又恢復絕緣狀態(tài)，開關斷開，設備停止工作，此過程無需加載復雜的嵌入式控制系統(tǒng)。

  相應成果發(fā)表在國際權威期刊Advanced Materials (影響因子IF: 21.95)。清華大學醫(yī)學院2015級博士生汪鴻章及2014級博士生姚又友為本文共同第一作者，清華大學教授、中科院理化所雙聘研究員劉靜為本文通訊作者。上述研究得到國家自然科學基金委重點項目“液態(tài)金屬軟體柔性感知機器人技術研究”、中國科學院院長基金及前沿項目的資助。

  文獻鏈接：

  A Highly Stretchable Liquid Metal Polymer as Reversible Transitional Insulator and Conductor (Advanced Materials) 

  https://doi.org/10.1002/adma.201901337