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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應用方面都有著非常重要的價值。傳統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金屬與硅膠材料，發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現，液態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后，可從絕緣態轉變為導體，且材料升溫后可再次恢復絕緣狀態（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

  進一步的研究發現，液態金屬（鎵銦合金）在凝固過程中體積會對應增大。液態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，導電的液態金屬發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，而液態金屬顆粒則由固體熔化成液態而導致體積減小，重新回歸到被硅膠包裹狀態，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。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，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。

  相應成果發表在國際權威期刊Advanced Materials (影響因子IF: 21.95)。清華大學醫學院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