南京大学张晔团队研发了一种新型聚氨酯金属凝胶，通过相互作用将液态金属流体稳定固定于聚氨酯三维高分子网络中，解决了传统材料导电性和韧性不能兼得的难题。
文章背景
近年来，随着可穿戴设备、生物电子设备、软体机器人等柔性电子技术的快速发展，对导电材料的性能提出了 “双重严苛标准”：一方面，需达到金属级的电导率以降低器件内阻，提高电子器件性能；另一方面，需具备超高韧性以适应实际应用环境，保证器件在复杂形变或冲击等破坏下仍能稳定运行。但现有材料体系难以兼顾：金属材料刚度大、韧性差；碳基或本征导电高分子材料电导率低；复合材料中低填料时电导率不足，高填料时又会因力学失配导致韧性骤降。这些局限成为柔性电子向高性能、长寿命发展的瓶颈难题。
凝胶是一类由流体固定填充在三维网络中的半固态材料，之前的流体通常是水、有机液体或离子液体。张晔课题组创制了一类新型凝胶材料，以液态金属为流体并通过相互作用将其固定在三维高分子网络中，命名为“金属凝胶”。金属凝胶在电学性能方面表现出色，力学上也展现了低模量和良好弹性，但其韧性仍有较大提升空间。
文章概述
最近，南京大学张晔团队突破传统导电材料电学和力学韧性不能兼得的限制，设计了一种新型聚氨酯金属凝胶，通过相互作用将液态金属流体稳定固定于聚氨酯三维高分子网络中(图1)。该金属凝胶实现了金属级电导率与超高断裂韧性，同时展现出优异的抗穿刺性能和压力稳定性。
团队先以聚四氢呋喃(PTMG)、4,4'-二异氰酸酯二环己基甲烷(HMDI)为原料，加入间苯二甲酰肼(IPDH)作为功能性扩链剂，通过缩聚反应合成富含高密度氢键阵列的酰肼型聚氨酯；随后将聚氨酯溶液与镓铟合金混合，经高速剪切，再去除溶剂，得到聚氨酯金属凝胶。结构表征显示，该聚氨酯金属凝胶呈银白色金属光泽(图2a)，液态金属质量分数约91%、体积分数约83% (图2b)，且在网络中均匀分布(图2c, 2d)。
图1 聚氨酯金属凝胶示意图
图2 聚氨酯金属凝胶结构表征：(a) 聚氨酯金属凝胶光学图像；(b) 聚氨酯金属凝胶中液态金属的质量分数与体积分数；(c) 聚氨酯金属凝胶的扫描电子显微镜图像及对应的能谱元素分布图；(d) 通过蚀刻聚氨酯金属凝胶中的液态金属获得的聚氨酯聚合物网络SEM图像；(e) 聚氨酯聚合物与聚氨酯金属凝胶的FTIR光谱及 (f) 热重分析曲线。
电学性能上，材料电导率最高达2.6×106 S‧m−1，达到金属级别；样本电阻随长度呈线性变化(R2=0.999)，48 h持续通不同电流(0.4-2 A)，电压始终稳定，完全符合欧姆定律(图3a-3c)。力学性能上，材料断裂伸长率达1700%、拉伸强度达10.3 MPa，即使拉伸至1200%也无液态金属泄漏，其韧性达到122.7 MJ‧m–3 (图3d-3e)；准静态穿刺测试中，最大穿刺力6.1 N、穿刺能121.4 mJ，与最坚韧的天然水凝胶(如龙虾下腹部膜)的穿刺能量相当(图3f)；在拉伸、弯折、扭转等变形模式，以及10万次循环变形后，电阻变化率均保持在5%以内，力电耦合稳定性优异。与其他已报道的具有高导电性的复合材料相比，聚氨酯金属凝胶同时实现了优异的导电性和韧性，填补了重要材料性能空白(图3h)。聚氨酯金属凝胶的韧性至少是现有高导电复合材料的8.5倍。
图3 聚氨酯金属凝胶的电学与力学特性：(a) 50个独立样品导电率的统计图及高斯拟合曲线；(b) 长度为1-9厘米样品的电阻值及线性拟合曲线。电阻值与长度呈线性相关(R² = 0.999)；(c) 聚氨酯金属凝胶在初始电流为0.4、0.8、1.2、1.6和2.0 A时的电压-时间曲线；(d) 聚氨酯金属凝胶在0%、400%、800%及1200%拉伸状态下的光学图像；(e) 聚氨酯金属凝胶不同速率单轴拉伸的应力-应变曲线；(f) 聚氨酯金属凝胶的准静态穿刺曲线；(g) 聚氨酯金属凝胶的压缩应力-应变曲线及其相对电阻变化；(h)通过Ashby图比较聚氨酯金属凝胶与其他柔性高导电材料的电导率与韧性。
此外，团队针对该材料开发了高效回收策略：将废弃凝胶浸泡在DMAc等有机溶剂中30 min，经高速剪切分散后真空干燥，即可重塑得到新凝胶(图4a)；也可通过碱处理法选择性回收液态金属，回收率超90%。测试数据显示，经5次溶剂法回收后，材料的拉伸强度、伸长率及电导率保持率均超80%以上。这得益于溶剂仅破坏分子间氢键，未损伤分子链结构，去除溶剂后氢键可重新形成，液态金属也能重新排列形成连续导电通路。
图4 聚氨酯金属凝胶的回收性能：(a) 回收过程示意图；(b) 初始与回收聚氨酯金属凝胶的应力-应变曲线；(c) 初始与回收聚氨酯金属凝胶的统计应变与拉伸强度；(d) 初始与回收聚氨酯金属凝胶的电导率。
该聚氨酯金属凝胶实现“金属级电导率”与“超高韧性”的协同，填补了柔性电子材料的性能空白，为可穿戴设备、生物电子器件及软体机器人等领域提供了高性能材料选择。其分子设计思路与回收策略，也为其他柔性导电材料的研发提供了重要参考。
本文为“高分子优秀青年学者”专题特约稿件，发表在《高分子学报》2026年第2期。论文第一作者为南京大学博士生王远贞，通信联系人为张晔教授。
王远贞, 白泽袖, 陈科宇, 张晔. 兼具金属级电导率与优异韧性的聚氨酯金属凝胶. 高分子学报, 2026, 57(2), 388-397.Wang, Y. Z.; Bai, Z. X.; Chen, K. Y.; Zhang, Y. Polyurethane metalgel with metallic electrical conductivity and excellent toughness. Acta Polymerica Sinica (in Chinese), 2026, 57(2), 388-397.
