第一作者：贠國霖
通訊作者：李衛華、Michael Dickey、唐詩楊
通訊單位：澳大利亞伍倫貢大學、美國北卡羅萊納州立大學、英國伯明翰大學
研究亮點：
1. 提出了各向異性液態金屬填充磁流變彈性體（ALMMRE）。
2. ALMMRE表現出了各向異性的壓電性和顯著增強的電各向異性。
3. ALMMRE顯示出了各向異性的機械，熱和磁性能。
導電復合材料
導電復合材料由導電填料和絕緣彈性體基體組成，同時具備了導體的導電性與彈性體的柔韌性。這其中，各向異性導電復合材料通過在基體中定向排列以對準導電填料，賦予了復合材料沿對準方向顯著增強的導電，導熱或機械性能。這使得它們廣泛應用于高性能電極，導電膠，運動傳感器和特殊功能材料等領域。
導電復合材料的壓導特性（或稱應變響應），是指其導電性能在壓縮，拉伸等變形下如何變化的性能。這一性能對于復合材料在傳感器等柔性電子設備中的應用至關重要。然而，現有的關于各向異性導電復合材料的研究大多僅關注材料在松弛狀態下的導電性，缺乏對于它們的壓導特性的研究和應用。
成果簡介
為填補這一研究空缺，最近由澳大利亞伍倫貢大學李衛華教授、英國伯明翰大學唐詩楊博士領導的研究組與美國北卡萊羅納州立大學Michael Dickey教授組成的聯合研究團隊合成了一種由鐵磁微米顆粒、液態金屬和高分子彈性基體組成的各向異性液態金屬填充磁流變彈性體（ALMMRE），并深入探究了其壓導特性。令人驚訝的是，ALMMRE不僅擁有各向異性的導電性能，還展現出各向異性的壓導（piezoconductivity）特性。沿不同方向，復合材料甚至具有相反的應變響應，這種反常的壓導特性在以往的研究中是從未提出過的。
圖1. ALMMRE的3D微結構示意圖，電子顯微鏡圖像以及元素分布圖。
要點1：ALMMRE各向異性的導電和壓導特性
要解釋這種非常規的壓導特性，就不得不介紹ALMMRE特殊的微觀結構。ALMMRE是通過磁場對準方法生產的，將復合材料的導電填料和基體均勻混合，并在固化過程中施加勻強磁場，即可使其中的鐵磁顆粒沿磁場方向對準并排列成鏈。從上面的掃描電鏡圖像和元素分布圖中可以明顯看出這種鏈狀結構，正是它賦予了ALMMRE各向異性。復合材料中的液態金屬微米液滴起到連接鐵磁顆粒鏈并形成導電網絡的作用。沿對準方向，復合材料具有增強的電導率，熱導率和機械強度。與在無磁場環境下固化的各向同性復合材料相比（Nature Communications, 2019, 10, 1300），在無應變條件下ALMMRE沿對準方向的電導率增加了三個數量級。有趣的是，其垂直于對準方向的電導率同樣增加了兩個數量級，這與大多數傳統各向異性復合材料不同（傳統各向異性導電材料以犧牲其它方向的導電性能為代價來提升對準方向的電導率）。
圖2. ALMMRE的各向異性壓導特性以及仿真結果。
上圖直觀體現了ALMMRE的各向異性壓導特性。按照圖A所示方法在拉伸和壓縮應變下測量塊狀復合材料樣品的電阻并計算電阻率。測量方向與對準方向之間的夾角為θ。復合材料沿平行和垂直于對準方向的電阻率-應變曲線如圖B所示。沿對準方向（θ = 0°），材料表現出負壓導（negative piezoconductivity）性，其電阻率在5%的壓縮應變下降低了2個數量級。而在垂直于對準方向上（θ = 90°），材料具有反常的正壓導性（positive piezoconductivity），其電阻率在壓縮時增加而在拉伸時呈指數降低。為模擬復合材料的電阻率，研究人員依據掃描電鏡圖像繪制了圖C中的仿真模型，并使用COMSOL軟件模擬了復合材料在平行和垂直于對準方向上的不同應變下的電阻率如圖D所示。仿真結果成功反映了ALMMRE的各向異性導電性和壓導特性。另外，當采用不規則的鎳微米顆粒作為鐵磁顆粒填料時，復合材料的應變敏感性可以進一步提升。沿對準方向，其電阻率可在5%壓縮應變下劇烈降低五個數量級，顯示出驚人的高應變敏感度。
要點2：ALMMRE制成的觸摸式邏輯門
利用ALMMRE顯著的各向異性電學性質和高應變敏感性，研究人員展示了如上圖所示的可實現不同邏輯門功能的柔性觸覺邏輯器件。當復合材料樣品沿θ = 90°方向串聯接入LED電路時，其初始電阻極高電路不工作。橫向按壓樣品將降低其電阻并點亮LED燈，此時樣品起到緩沖門的作用。同理，樣品沿θ = 0°方向接入電路可以起到非門的作用。一旦接收到觸摸信號，其電阻就會立刻增加數個數量級從而斷開電路。通過組合這兩種邏輯元件，研究人員還實現了更為復雜的與門，或門，與非門，或非門等邏輯功能。此外，這種各向異性導電復合材料還可用于開發智能柔性加熱膜和輸出范圍可調的指數式變阻器等應用。由于其獨特的各向異性特性和簡便的制備方法，我們相信該復合材料在智能傳感器，軟體機器人和可穿戴設備領域具有廣闊的應用前景。
圖3. ALMMRE制成的觸摸式邏輯門。
小結
綜上，本文報道了一種各向異性導電彈性體，利用這些獨特的特性來演示柔性觸覺邏輯器件和一個范圍可調變阻器，有可能推動柔性觸覺傳感器和柔性電子產品的發展。
參考文獻
Yun et al., Liquid Metal Composites with Anisotropic and Unconventional Piezoconductivity, Matter (2020)
DOI：10.1016/j.matt.2020.05.022
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30289-7
作者介紹
第一作者簡介：
本文第一作者贠國霖于2017年畢業于中國科學技術大學（USTC）工程科學學院近代力學系，獲得理學學士學位。目前在澳大利亞伍倫貢大學工程與信息科學學院攻讀博士學位。其博士導師為李衛華教授和唐詩楊博士（英國伯明翰大學）。其研究方向主要包括液態金屬，導電復合材料以及它們在柔性可穿戴電子裝置，功能執行器和傳感器中的應用。
