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美國為液體金屬納米液滴穿上聚合物外衣 或可用于軟體機器人

2019-06-14 13:39 作者:wlgc0812 來源:高分子科學前沿 瀏覽:

摘要:美國為液體金屬納米液滴穿上聚合物外衣 或可用于軟體機器人...

   美國為液體金屬納米液滴穿上聚合物外衣 或可用于軟體機器人

在室溫下,共晶鎵銦(EGaIn)是一種液態的金屬合金。由于其良好的導熱性、高介電常數、無限的可變形性以及金屬導電性,EGaIn被廣泛用于柔性電子和軟體機器人的研究中,是柔性復合材料的重要組成部分。通常利用機械混合的方式將EGaIn微滴引入到聚合物彈性體中,以制造具有高熱穩定性和導電性的可拉伸且強度高的柔性多功能復合材料。然而目前的機械共混方法會導致形成不規則形狀的微液滴和金屬液滴的各向異性分布,大大影響了該類復合材料的性能。

 

 

 

 

因此,如何獲得穩定高且尺寸均一的微米或更小尺寸的EGaIn液滴引起了材料學界的極大關注。早期報道的方法包括利用表面活性劑和硫醇與金屬的配位作用來穩定金屬液滴。近期,美國卡內基梅隆大學化學系的Krzysztof Matyjaszewski?教授課題組報道了一種包裹了聚合物外衣的EGaIn液滴。他們使用表面引發ATRP方法(SI-ATRP),在EGaIn納米粒子表面的氧化物層上分別接枝聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(丙烯酸正丁酯)(PBMA)、聚(2-二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯)(PDMAEMA)以及聚(丙烯酸正丁酯-b-甲基丙烯酸叔丁酯)(PBA-b-PMMA),可以通過調節所接枝的聚合物鏈來調節納米液滴分散相的形貌。

 

這些納米液滴可以以50wt%濃度的在有機溶劑和水保持穩定,其中PMMA接枝的納米顆粒在1.5mM的金屬含量下能穩定一周,而使用表面活性劑處理的金屬含量小于0.17mM的樣品在24小時后即出現沉淀。此外,由于聚合物的存在,可以通過直接溶液滴涂法形成具有明確微觀結構的有機-無機雜化單組分柔性材料。所制備的雜化材料在可見光范圍內幾乎是透明的,并且可以通過選擇不同聚合物調整材料的機械性能。同時,他們還發現該表面接枝方法顯著地降低了EGaIn結晶和熔融溫度(從15°C降至-80°C),有利于制備玻璃化溫度低于或高于室溫的復合材料。

 

瑞典RISE研究所的Anna Carlmark 教授發表評論:高度肯定了該研究工作在穩定EGaIn液滴方面所取得的突破性進展。此外,她更關心這類混合單組分材料的電學性質,希望進一步確定它們在軟體機器人、可拉伸傳感器和生物醫學設備等領域的應用潛力。

 

【圖文解析】

 

圖1.利用SI-ATRP從EGaln制備EGaIn-PMMA雜化液滴:

 

(a)BiBADA的分子結構;(b)納米粒子表面的BiBADA修飾和SI-ATRP聚合;(c)利用SI-ATRP方法,EGaIn的逐步官能化或原位官能化;(d)EGaIn的照片;(e)BiBADA官能化的EGaIn液滴分散在四氫呋喃中的照片;(d)沉降出的EGaIn-PMMA聚合物纖維;(f)在四氫呋喃中再分散的EGaIn-PMMA均勻分散相;(h)在加入三滴36%HCl溶液后EGaIn液滴的分離;(i)EGaIn-PMMA的TEM圖像;(j)i.EGaIn-PMMA薄膜的TEM; ii.含有10wt%EGaIn-PMMA60mm的薄膜;iii. 10wt%含量的機械混合EGaIn/PDMS二元復合膜。

 

 
 
 

 

表1.通過一鍋法制備的代表性EGaIn-聚合物雜化材料的組成、分子量、分散度以及EGaIn含量。

 

 
 
 

 

圖2.EGaIn-PMMA雜化液滴及其拉伸性能:

 

(a)EGaIn-PBMA分散體在四氫呋喃中的上清液的TEM圖像;(b)EGaIn-PBMA樣條的微觀TEM圖像;(c)EGaIn-PBMA樣條的拉伸實驗;(d)EGaIn-PBMA樣條;(e)EGaIn-PBMA-Sylgard樣條;(f)EGaIn-PBMA樣條的應力-應變曲線;(g)EGaIn-PBMA-Sylgard樣條的應力-應變曲線。

 

 
 
 

 

圖3.EGaIn-PBA-b-PMMA熱塑性彈性體:

 

(a)PMMA-b-PBA接枝的EGaIn的圖示;(b)分離的PMMA-bPBA的排阻色譜;(c)分離的PBA-b-PMMA的1HNMR,可計算重復單元比例;(d)EGaIn-PBA-b-PMMA樣條的拉伸實驗;(e)EGaIn-PBA-b-PMMA樣條的應力-應變曲線;(f)EGaIn-PBA-b-PMMA的DSC曲線。

 

 
 
 

 

圖4.EGaIn-PDMAEMA水溶性雜化液滴和陽離子凝膠包裹的EGaIn:

 

(a)合成方法;(b)EGaIn-PDMAEMA真空干燥樣品照片;(c)陽離子凝膠包裹EGaIn照片;(d)EGaIn-PDMAEMA的TEM圖像;(e)陽離子凝膠包裹的EGaIn的TEM圖像;(f)2.0wt%陽離子凝膠分散的EGaIn在水中的剪切力和粘度曲線;(e)陽離子凝膠包裹的EGaIn的DSC曲線;(h)陽離子凝膠包裹的EGaIn在1mgml-1水分散體中的強度加權流體動力學尺寸分布;(i)在1mgml-1水分散體中的EGaIn、EGaIn-PDMAEMA和陽離子凝膠包裹的EGaIn的Zeta電位。

 

 
 
 

 

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0454-6

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0469-z



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(責任編輯:wlgc0812)
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