FIE 清华大学新南威尔士大学：液态金属相变潜热助力多种刺激响应智能弹性体设计

相变潜热是一种平时“潜伏”（储存）在材料中，在发生相变时材料吸收或释放的热量。相变热量传递和转化在自然界中非常常见。俗话说，冰冻三尺，非一日之寒。这一说法反映出无处不在的水就具有可观的相变潜热。例如，1升水凝固成冰时就会释放336 kJ的热量。与水类似，液态金属（如镓）在凝固时也同样会放出热量，而且液态镓的凝固放热量大，超过相同体积水释放热量的40%。然而，之前研究却鲜有关注液态金属的高相变潜热这一特性。液态金属作为一类具有独特物理化学性质的材料近年来得到了越来越多的关注；其在多个关键研究领域和高科技产业的潜力也不断被挖掘出来。

近日，来自清华大学刘静团队和汪鸿章课题组，以及新南威尔士大学汤剑波课题组将液态金属相变和潜热释放巧妙结合到材料设计中，成功制备了一种新型智能弹性体。这种被称为“液态金属-弹性体架构”（Liquid Metal-Elastomer Architecture）的复合材料能够感知外界刺激，并通过潜热释放带来的温度变化将刺激信号转化为可视化温度信号。

在此项工作中，考虑到液态金属镓具有超高相变放热密度和室温附近的相变温度，但是缺乏磁场响应特性，同时其相变、潜热释放的可控触发也颇具挑战，研究团队将磁性铁颗粒掺入液态镓中，制备出磁响应液态金属；再将所得到的磁响应液态金属与弹性体基质形成微观尺度的混合，形成了兼具多刺激响应性和出色弹性的液态金属弹性体（图1）。

图1 液态金属智能弹性体架构及拉伸触发相变产热特性

当材料受到不同类型的外界刺激，包括接触模式刺激(按压、拉伸、扭转)或者非接触模式刺激（磁场扰动）时，过冷液态金属液滴会迅速凝固，并释放大量潜热，引起温度的快速升高，可在1秒内实现超过30摄氏度的温升，而无需外界提供热源（图2）。

图2 接触模式(按压、拉伸、扭转)和非接触模式（磁场扰动）刺激引起LMEA相变释放潜热。比例尺5mm。

此外，通过在液态金属弹性体中进一步加入热至变色颗粒，研究人员进一步赋予了材料热至变色（肉眼可视化）特性，进一步拓展了材料体系的智能功能。

值得指出的是，该材料的智能响应机制不依赖于复杂的电路和电源，而是通过液态金属微液滴的固化和潜热释放来实现温度变化的感知和可视化。这种机制使得材料能够通过红外和常规成像等双重模式刻画外部刺激产生的温度场，为特种信息加密和智能可视化应用提供了一种由材料相变潜热介导的方案（图3）。同时，此处所涉及的相变为物理相变，这确保了相变过程可逆，材料可重复使用。此外，通过选择不同熔点的液态金属合金，材料的工作温度范围也可以调节。

图3 基于液态金属智能弹性体的多刺激响应与可视化。比例尺5mm。

这一工作中开发的全新智能响应材料体系不仅能在外界刺激下将液态金属的潜热可控释放，还能通过不同成像方式实现输入刺激的可视化。这项研究展示了液态金属在新型相变材料，智能传感、成像等领域的应用潜力，有望为开发新一代具有柔性、多刺激响应、热存储和释放特性的智能显示系统，传感、检测器件和软体机器人等提供一种新的方案。

这项研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和澳大利亚研究理事会的资助。

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