相信大家在中学物理课上都学过一个简单的电学知识，那就是一块导体因为其横截面积的减小，它的电阻在拉伸时会增大。然而，最近由澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授和唐诗杨博士领导的研究组与美国北卡罗莱纳州立大学Michael Dickey教授组成的联合研究团队合成的一种新型复合材料似乎打破了这一规律。与传统导电材料不同，这种由液态金属、磁性金属粉末和高分子弹性基底合成的导电材料在被拉伸时电阻会剧烈减小，在拉伸量仅有10%的情况下其电阻率就能减小到初始阻值的千万分之一，并且在拉伸量曾加到30%的情况下其电阻率甚至能减小到初始阻值的一亿分之一！那么，究竟是什么原因让这种材料具有了如此神奇的性质呢？且听笔者一一道来。
要解释这种材料的原理，就不得不先介绍一下弹性导电复合材料。这一类材料一般由弹性绝缘基底和导电填充材料混合而成，兼具了良好的导电性和弹性体的可变形功能。然而，鱼与熊掌不可兼得，传统的弹性导电复合材料在拉伸时导电性能会有明显下降：一旦材料被拉伸，其中的导电填充填料就会互相分离，使得其导电能力大打折扣。因此，在机械变形时维持材料的高电导率就成为了目前导电复合材料领域一个至关重要的课题。
传统复合材料在拉伸时其中的导电颗粒互相分离
为了解决这一难题，该研究团队成员基于他们丰富的关于液态金属材料研究的相关经验，创新性地将液态镓铟合金微液滴和固态金属微粉末混合加入弹性基底，制作出了这种混合填料复合材料。EGaIn镓铟合金中的镓铟比例为3:1，在常温下即可维持液态，兼具高导电性、可变形性与高表面张力，是导电填料的理想选择。这种复合材料的制作过程并不复杂，只需将固液两种填料和液态基底混合搅拌均匀，真空脱气后在烤箱中固化定型即可。实验结果表明，一旦材料固化定型，其电阻率在压缩、拉伸、弯曲和扭转等任何机械变形下均会剧烈下降。
液态金属复合材料的的电子显微镜图像以及其电阻率-应变曲线
由于较大的表面张力，液态金属在材料中会形成直径在20微米左右的液滴，远大于直径3微米左右的金属颗粒。在材料被拉伸时，这些液态金属液滴会随着弹性基底一同变形，这防止了导电填料的分离；同时液滴和垂直于拉伸方向的金属颗粒之间距离减小，使得它能够联通附近的金属粉末从而提升材料的整体导电性。COMSOL模拟计算结果表明，这种固液填料混合的复合材料结构可以在机械变形时增加弹性体内部导电填料的电接触点的密度，从而大大提升材料的电导率。
此外，研究人员还进一步研究了复合材料对磁场的响应以及导热性能，并开发了磁压传感器，柔性加热膜等应用。其中柔性加热膜能够感应表面压力大小并自动调节加热温度，而且结构简单不含传感器等电路元件，可以任意裁剪，方便应用在柔性设备上。由于其具有出色的机械，电气和热传导性能，我们相信该复合材料在传感器，软体机器人和可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。
使用液态金属复合材料制作的柔性加热膜工作原理和智能加热可穿戴设备
近日，该成果以“Liquidmetal-filled magnetorheological elastomer with positive piezoconductivity”为题，发表在《自然·通讯》杂志上（Nat. Commun., 2019, 10, 1300）。该论文第一作者为澳大利亚伍伦贡大学博士研究生谙国霖。澳大利亚伍伦贡大学唐诗杨博士和李卫华教授，以及美国北卡罗莱纳州立大学Michael Dickey教授为共同通讯作者。