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懸浮金屬球的“果凍”傳感器，導電“能力”也可變化
作者：李清波 來源：中國科學報  
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“把液體金屬均勻密封在‘果凍’中不下沉，“果凍”電學性質(zhì)可控，還可以隨意折疊、拉拽”。近日，在太原理工大學機械與運載工程學院，張東光副教授展示了一款柔韌和電學性能兼顧的新材料。課題組受到石榴內(nèi)部結構的啟發(fā)，研發(fā)出一種柔性傳感器，具有低成本、低密度、無沉降的優(yōu)點。張東光副教授介紹道，在汽車方向盤包裹一層這樣的電容式柔性傳感器，智能汽車即可感受來自手心的握力，實現(xiàn)離手檢測功能。這種傳感器還可應用在智能座艙、軟態(tài)機器人等諸多領域。
近日，該成果以“具有彈性顆粒阻塞效應的非沉降液態(tài)金屬彈性體”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。該論文的第一署名單位為太原理工大學，研究生薛小婷為論文第一作者，張東光副教授、吳亞麗副教授、西安科技大學楊嘉怡副教授為論文共同通訊作者。
經(jīng)典科幻電影《終結者2》出現(xiàn)的T-1000液體機器人可以實現(xiàn)固體和液體的自由轉換變形。金屬鎵或者鎵基合金被認為最適合實現(xiàn)這一科幻場景。金屬鎵以低熔點、高導電性、高熱導率和無毒性等優(yōu)勢，被廣泛應用在軟體機器人、可穿戴設備和人機界面等領域。一旦液態(tài)金屬機器人技術取得突破成功，將科幻帶進現(xiàn)實，必將革新人類日常生活的方方面面。
張東光副教授通過獨特的制備工藝，將鎵基合金為導電填料，以聚二甲基硅氧烷顆粒作為阻塞介質(zhì)，以聚二甲基硅氧烷作為封裝層，研發(fā)出一種無沉降的液態(tài)金屬彈性體�！耙簯B(tài)金屬和聚二甲基硅氧烷這兩種材料特性差異極大，兩者的混合不是水里化糖，而是水里泡茶葉，并且保證茶葉不飄落。這種新材料中，我們借鑒了石榴內(nèi)部結構的設計思路，讓金屬顆粒在膠體顆粒中均勻分布，從而避免了因重量而導致的沉降問題，并且還能保持良好的電學性能。這是整篇論文的核心。”張東光介紹道。
以石榴為參照，密度最大的石榴籽就是鎵基合金，石榴籽周邊包裹的汁水就是聚二甲基硅氧烷，而分離石榴籽的膜就是封裝層，支撐壁相當于阻塞顆粒也是由同樣的材質(zhì)組成。
“支撐壁”是確保整個“石榴”內(nèi)部的鎵基合金能夠均勻分布，并避免團聚和沉降到底部的關鍵因素，是該材料制備過程中的關鍵步驟。論文第一作者薛小婷表示，經(jīng)過計算，液態(tài)金屬顆粒的密度大約是彈性體的7倍。因此，在澆注和固化過程中，金屬液體下沉不可避免。然而，液態(tài)金屬顆粒表面很容易形成薄薄的氧化層，它被不導電的二甲基硅氧烷隔離開，兩者相互干擾，二甲基硅氧烷的阻塞效應使得液態(tài)金屬顆粒的沉降受阻。通過”機械燒結”就可以來打破這層絕緣彈性體，形成導電路徑。如果將液態(tài)金屬復合材料視為一種具有優(yōu)異性能的電介質(zhì)或熱導體，通常需要添加更大比例的液態(tài)金屬顆粒，這在重量和成本上都不劃算。
通過試驗、計算和再試驗，研究新材料內(nèi)部的阻塞效應機制，驗證了復合材料中的液態(tài)金屬顆粒分散均勻。她試驗了不同體積比的液態(tài)金屬顆粒，并發(fā)現(xiàn)當聚二甲基硅氧烷顆粒的體積比達到20%，液態(tài)金屬體積比為40%時，復合彈性體既可以實現(xiàn)導電性能，又可以節(jié)省材料成本�！拔覀兏鼡Q各種膠體材料，設置液態(tài)金屬體積比，調(diào)整攪拌器轉速，將液態(tài)金屬‘打碎’成固定尺寸，液態(tài)金屬尺寸大概為5-50微米左右，以直徑10微米的液滴居最多�！�
新材料的另一大特點就是絕緣彈性體可以改變介電常數(shù)和介電特性。薛小婷表示，新材料的介電常數(shù)也會機械燒結而變化，通俗來講就是絕緣彈性體的電容量發(fā)生了變化。與傳統(tǒng)的液態(tài)金屬彈性體材料不同的是，本研究中的新材料不會在外部壓力作用下產(chǎn)生液態(tài)金屬彈性體滲出的問題，而是將外部作用完全轉化為電學特性的變化。
張東光表示，我們利用力電偶合效應通過電容變化來計算材料的受力程度，并測試了其機械和電氣性能。設計的電容式傳感器可以精確感知力的大小，檢測方向盤離手或握力放松等情況，并及時提醒車主。此外，傳感器的應用還可擴展至監(jiān)測脈搏、汽車腳踏板力度、后排兒童是否離座等場景。目前，我們已將傳感器應用在橋梁路面、橋梁伸縮縫等處，用來監(jiān)測特殊領域微小的力量變化。
相關論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210553 
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