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  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，這限制了其更廣泛的應(yīng)用。近日，清華大學(xué)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(shí)現(xiàn)溫控導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變功能的復(fù)合材料（TIC），相應(yīng)轉(zhuǎn)變不僅可逆，且能重復(fù)100次以上而無(wú)明顯結(jié)構(gòu)破壞，最大拉伸幅度可至原長(zhǎng)的780%。這種材料制備工藝簡(jiǎn)單，可以3D打印，基于這一新材料對(duì)于發(fā)展未來(lái)柔性可拉伸半導(dǎo)體器件、溫度開(kāi)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。

  課題組在大量的實(shí)驗(yàn)研究中發(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，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程可以重復(fù)100次以上而沒(méi)有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)破壞和電學(xué)性能變化。整個(gè)過(guò)程中，材料可以反復(fù)拉伸，在拉伸狀態(tài)仍可以實(shí)現(xiàn)快速絕緣體-導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。

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(guò)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)證新材料作為溫度開(kāi)關(guān)方面的性能，課題組還特別設(shè)計(jì)制作了一個(gè)基于TIC的電路置于四驅(qū)車(chē)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(chē)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(kāi)，四驅(qū)車(chē)?yán)^而停止運(yùn)動(dòng)（圖3）。

圖3 低溫開(kāi)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(guò)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(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(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(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，設(shè)備停止工作，此過(guò)程無(wú)需加載復(fù)雜的嵌入式控制系統(tǒng)。

  相應(yīng)成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Advanced Materials (影響因子IF: 21.95)。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院2015級(jí)博士生汪鴻章及2014級(jí)博士生姚又友為本文共同第一作者，清華大學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目“液態(tài)金屬軟體柔性感知機(jī)器人技術(shù)研究”、中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)基金及前沿項(xiàng)目的資助。

  文獻(xiàn)鏈接：

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

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