《AM》黄维院士团队：液态金属水凝胶！

液态金属（LM）水凝胶作为柔性电子器件和软体机器人领域的理想材料备受关注，但其结构过于简单、精度有限且功能设计性不足等问题亟待解决。本研究首次实现了对三维（3D）LM水凝胶进行微米级（10 µm）精度的数字化光加工，并构建出任意复杂结构。我们开发了一种通用策略：通过用海藻酸钠（SA）包裹液态金属液滴来制备光固化型LM基树脂材料。该SA涂层不仅能通过形成氢键和离子键防止墨水沉降及自聚合，还能确保墨水均匀分散并保持光固化性能。经光固化处理后的3D LM水凝胶展现出显著提升的拉伸延展性（达2000%）和循环稳定性（在500%应变下可承受800次循环），性能远超现有大多数3D水凝胶。此外，该材料还表现出更高的灵敏度和可调光热响应特性，在应变传感器、物体抓取机器人、远程控制设备及防伪系统等领域具有广阔应用前景。

图1 SLM 纳米颗粒的制备与表征。(a) 通过探头超声处理法制备 SLM 纳米颗粒。(b) SLM 纳米颗粒的TEM图像。(c) Ga 2p的高分辨率 XPS 谱图。(d) 纯水中LM纳米颗粒及SA溶液中 SLM 纳米颗粒在7天后的粒径分布直方图；插图为LM分散液的对应照片。(e) 纯水中LM纳米颗粒在7天后的SEM图像。(f) SA溶液中 SLM 纳米颗粒在180天后的SEM图像。(g) 添加 SLM 或LM纳米颗粒后单体溶液的流变学特性；插图为添加 SLM 和LM纳米颗粒15小时后含AM单体溶液的倾斜瓶照片。(h) 含 SLM 、LM纳米颗粒及AM的水溶液的EPR谱图。(i) Ga³⁺与SA、AM、水及PEG分子的结合能。(j) 氧化镓与吸附的SA及水之间的电荷密度差。

图2 SLM 基水凝胶的3D DLP打印工艺及力学性能。(a) 光聚合示意图：含单体、 SLM 纳米颗粒、光引发剂和交联剂的液态前驱树脂在受控光照下交联形成三维打印物体。(b) PAM- SLM 水凝胶内部相互作用示意图。(c) 前驱树脂的流变曲线。(d) PAM- SLM 与PAM水凝胶的 FTIR 谱图。(e) 高分辨率PAM- SLM 水凝胶的SEM图像。(f) 大块PAM- SLM 水凝胶截面的SEM图像及对应的EDS分布图。(g，h) 不同泊松比打印结构的照片。(i) 可变形龙形结构的照片。(j) 展示PAM- SLM 水凝胶压缩特性的数字图像。(k) 具有不同二维结构（拉伸主导晶格与弯曲主导晶格）的多材料水凝胶的3D打印结果。(l) 不同应变下拉伸PAM- SLM 水凝胶的数字图像。(m) 不同 SLM 含量PAM- SLM 水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(n) PAMSLM 水凝胶的弹性模量与拉伸强度。(o) 不同应变下PAM- SLM 水凝胶的加载-卸载曲线。(p) 不同应变下PAM- SLM 水凝胶的耗散能与滞后率。

图3 不同单体制备的 SLM 基水凝胶的制备与表征。(a) HEA、 NIPAM 、HEA/ NIPAM 及AM/PAAS的分子结构示意图。(b) 不同单体制备的 SLM 基树脂照片。(c–f) 不同单体树脂中 SLM 纳米颗粒的粒径分布直方图。(g–j) 使用不同油墨制备具有梯度结构的 SLM 基水凝胶的3D打印结果。(k) 不同单体制备的 SLM 基树脂的Zeta电位。(l) 四种 SLM 基水凝胶的拉伸应力-应变曲线；(m) 弹性模量与拉伸强度；(n) 断裂应变及断裂功。

图4 PAA- SLM 水凝胶的传感性能。(a) 不同结构的3D打印PAA- SLM 水凝胶照片。(b) 各种PAA- SLM 水凝胶结构在经历100%拉伸应变后的照片。(c) 不同结构的PAA- SLM 水凝胶在0%至400%应变范围内的电阻变化。(d) 本研究与近期报道的3D打印水凝胶传感器在GF和应变方面的结果对比。(e) 3D LM水凝胶加载与卸载过程中的电阻变化。(f) 本研究的电滞回线与应变数据与近期报道的应变传感器结果对比。(g) 在0.25、0.5和1 Hz频率下循环拉伸/释放过程中的电阻变化。(h) PAA- SLM 传感器在100%应变条件下经过1000次循环后的相对电阻值。(i) 当扬声器分别说出“LM”、“Hydrogel”和“Sensor”时，传感器的电阻响应曲线。

图5 多材料水凝胶的 NIR 响应性4D打印。(a)展示3D打印 PNIPAM -SLM1水凝胶在激光照射下的形状收缩过程及冷却后的形状恢复。(b)不同 SLM 含量的3D打印水凝胶在 NIR 光照射下的光热效应随时间变化。(c)不同光照强度下 PNIPAM -SLM1水凝胶在 NIR 光下的温度变化。(d) PNIPAM -SLM1水凝胶经过20次循环后的光热响应表现。(e)具有 NIR 诱导4D响应及冷却恢复特性的多材料水凝胶结构示意图与图像：上层为 NIR 响应型 PNIPAM -SLM1水凝胶，下层为非响应型PAM水凝胶。(f)三种不同结构 PNIPAM -SLM1水凝胶的 NIR 响应速度对比。(g)4D打印花朵在 NIR 光下弯曲的实验照片。(h) NIR 光对3D打印材料形状变形的可控调控。(i) NIR 响应型水凝胶释放物体的演示。(j)柔性超级电容器的光热调控示意图。(k)超级电容器经光热形变前后的循环伏安曲线。（l，m）十字形水凝胶实现LED远程控制的演示。

图6 用于密码显示装置的一步式3D打印多材料水凝胶。(a) 展示八进制编码的光热诱导4D打印水凝胶的示意图、照片及红外热成像图像。(b) 将16位八进制编码转换为3D打印结构的示意图。(c) 密码验证过程的示意图：该多材料水凝胶在 NIR 光照射下，要么保持原始形状（表示验证失败），要么弯曲成螺旋形（表示验证成功）。(d) 多材料水凝胶经加密存储后的高分辨率照片。(e) 4D信息加密与验证过程示意图：多材料水凝胶包含信息区域和验证区域；信息区域可通过 NIR 光读取，验证区域经切割后可持续验证信息区域的有效性。

Advanced Materials, 2026; 0:e73495

https://doi.org/10.1002/adma.73495