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 【引言】

《終結者》中機器人能夠任意改變形狀，相信讓看過電影的觀眾都感到非常震撼。而制造這種機器人的現實版材料就是液態金屬（liquid metal）。金屬在液態時具有流動性，剪切模量為零，而凝固以后卻又具有高強度、硬度和低電阻率的性質。在諸如可伸縮可穿戴式電子設備、柔性機器人等醫學設備的工程應用上，材料的軟硬至關重要。合成材料中的強度多數通過裂紋尖端的能量耗散實現。然而，生物材料通過結合多尺度的能量耗散顯示出的極限強度，同時使得前期裂紋尖端偏移減弱。

【成果簡介】

近日，美國卡內基梅隆大學的Carmel Majidi教授在Advanced Materials上發表了題為“Extreme Toughening of Soft Materials with Liquid Metal”的研究文章。本文中作者提出了一種合成材料的體系結構，能通過向柔性彈性體植入微米尺度的懸浮物和高形變能力的液態金屬液滴，表現出多模式強化。而且和未填充的聚合物相比，斷裂能劇增了50倍。對于一些液態金屬植入的彈性體組成，強度遠超過了此前報道過的柔性彈性材料的最大值。這一劇烈強化作用通過增加的能量耗散和適應性的裂紋移動，以及有效消除裂紋尖端來實現。在加載時，隨著液態金屬植入物的形變所展現出的性能，為阻止超強軟物質中的裂紋發生和抑制已有裂紋的擴展提供了一種新機制。

【圖文導讀】

圖1：植入液態金屬彈性體（LMEE）的力學性能表征與比較。

(A)帶缺口的和易形變無裂紋擴展的軟/硬的LMEE薄膜；

(B)通過加入50%體積比的液態金屬，在樣品拉伸應變為300%，對LMEE的極限抗撕裂性進行表征；

(C)缺口樣品中，消耗外加機械功的不同機制示意圖。

圖2：LMEE樣品和未填充彈性體的裂紋擴展情況。

(A)未填充的聚硅氧烷在缺口實驗中，水平裂紋移動情況：(i)未拉伸，(ii)65%應變值，(iii)125%應變值；

(B)體積分數為30%的剛性顆粒中類似的水平裂紋移動情況：i)具有典型夾雜物形貌的樣品，處于未拉伸態，ii)在應變率為200%時，典型剛性夾雜物未變形，iii)應變率為325%；

(C)50%體積分數的液態金屬夾雜物的縱向裂紋移動和裂紋消失示意，LMEE樣品分別處于：i)具有典型夾雜物形貌的樣品，處于未拉伸態，ii) 具有典型夾雜物形貌的樣品，處于100%應變率的狀態，iii,iv)應變率為400%和500%時垂直撕裂移動，v)650%應變率時裂痕完全消失。光學顯微鏡圖像(vi)-(x)代表圖像中所圈區域。

圖3：彈性體的力學性能隨液態金屬體積分數變化情況。

(A)70mm×10mm未填充降解塑料Ecoflex樣品和50%液態金屬體積比的LMEE，在純剪切試驗中的應力應變曲線;

(B)未填充的Ecoflex樣品和含有50%體積分數液態金屬的Ecoflex樣品的斷裂能比較；

(C)臨界應變隨液態金屬體積分數變化的函數關系曲線；

(D)斷裂能增量隨液態金屬體積分數變化的函數關系曲線；

(E)區域I中LMEE和RPEE的斷裂能比較；

(F)第一輪加載周期內，LMEE和RPEE復合物的斷裂能增強和拉伸模量之間的關系。

【小結】

本文說明向軟彈性體中植入微尺度的液態金屬液滴可以將斷裂能提高50倍。作者將這一顯著提高歸因于雙重機制。一個是傳統的力學耗散和在剛性顆粒填充的彈性體或凝膠中觀察到的Mullins效應；另一個是由于高致密度導致縱向的裂紋偏移，植入軟彈性體中的液態金屬液滴發生延展，即所謂的Cook-Gordon機制以增強斷裂強度。包括取代硬脆材料提高電子設備生物相容性，

文獻鏈接：Extreme Toughening of Soft Materials with Liquid Metal (Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201706594)