诚然，T-1000是《终结者》系列中令人难忘的角色之一，它的“液态金属”特性给人留下了深刻的印象。T-1000能够在液态和固态之间自由切换，这种能力让它能够变形为任何形状，不仅可以穿过牢笼恢复原样，还能变成各种坚固的武器。这种特性让人难以忘怀，仿佛看到了未来科技的奇迹。尽管目前我们还无法真正做到如此自由地控制金属的状态和形态的转换，但利用3D打印技术来塑造液态金属的三维结构确实能够让我们离这一目标更近一步。

日前，厦门大学的白华教授与胡晓兰副教授团队在液态金属的3D打印研究方向取得了重要进展，研究者们利用Carbopol凝胶与液态金属，制备了一种新型的液态金属高内相乳液凝胶（LM-HIPEG）。该凝胶具备优异的粘弹性和剪切变稀的流变特性，可以作为直接墨水书写型3D打印的油墨。同时，研究者们利用液态金属在电解质凝胶连续相中的电毛细行为，首次实现了通过施加电场来激活油墨的导电性能，并最终实现了液态金属在多种复杂场景中的3D打印。相关成果以“High internal phase emulsions gel ink for direct-ink-writing 3D printing of liquid metal”为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications, ( 2024), 15:4806）。

【液态金属高内相乳液凝胶的制备及形成机理】

研究者们利用Carbopol分子与液态金属氧化层的相互作用，通过简单的机械搅拌，使液态金属液滴表面形成吸附凝胶层，这使得体积分数高达87.5%的液态金属能够稳定分散在凝胶中，形成高内相乳液凝胶结构。该材料表现出出色的弹性行为（其储能模量>10 4 Pa）和剪切变稀的流变特性。研究者提出了凝胶层在液滴受剪切时产生润滑作用的概念，这种润滑作用确保高内相乳液凝胶在受到剪切力时不会被破坏，从而保持其内部紧密堆积的结构。

图1：液态金属高内相乳液凝胶墨水的制备流程及形成原理。

【液态金属高内相乳液凝胶的3D打印】

接着，利用这种材料，研究者们成功实现了液态金属在三维方向上的打印成型，达到了高分辨率（210 μm）。LM-HIPEG墨水展示了卓越的设计灵活性和可打印性，甚至能够打印出大跨度的悬浮结构。LM-HIPEG墨水呈现出半固态的特性，但液态金属在外力作用下能够轻松地从氧化层中释放出来，从而使打印物体转变为液态。而在低温环境下（–30 °C），LM-HIPEG能够通过结晶固化，使打印物体成为承载结构。该材料还与常见的聚合物材料表现出良好的界面兼容性，能够在一些柔性基板上直接构建复杂的三维液态金属图案，并与其他聚合物油墨协同打印，实现复杂装置的构建。

图2：液态金属高内相乳液凝胶墨水的3D打印。

【液态金属高内相乳液凝胶的导电激活】

此外，研究者们进一步研究了对液态金属高内相乳液凝胶墨水的导电激活。在该材料中，液体金属微粒呈多面体型紧密堆积，液态金属氧化层及Carbopol作为其界面，因此材料本身并不导电。但由于界面薄（＜5 nm）且脆的结构特点，使其在5.0%的应变下，以及-29.3 ℃的低温环境下，即可实现材料的电激活，激活后材料的电导率在2.0 × 10 5 S m –1之上。同时，研究者们利用液态金属在电解质凝胶连续相中的电毛细行为，首次实现了通过施加电场来激活油墨导电，打印的线条（d = 210 μm，L = 3 cm）在15 V的电压下仅需0.58 s即可实现导电激活。这种全新的导电方式，扩大了液态金属高内相乳液凝胶墨水在刚性表面和多种环境条件下的应用。

图3：LM-HIPEG的电压诱导电激活。

最后，团队实现了液态金属导电线路在柔性基底的3D打印，并首次实现了在非平面结构(0°-90°)上3D打印液态金属导线，这将扩大液态金属在复杂结构器件上的应用，如柔性电子设备，可伸缩天线等。该材料可作为一种直接墨水书写型3D打印的通用导电油墨，通过实现液态金属导电油墨与其他材料交替打印，展现了一体化打印柔性电子器件的巨大潜力。

小结

研究者们利用Carbopol水凝胶和液态镓铟合金，成功制备了一种液态金属高内相乳液凝胶油墨。这种油墨能够用于直接墨水书写的3D打印技术。液态金属作为分散相，其高达82.5%的体积分数赋予了油墨优异的储能模量。而Carbopol水凝胶作为连续相，为液态金属液滴提供了润滑作用，从而确保油墨在剪切和挤压过程中能够顺利挤出，实现高分辨率且形状稳定的三维结构打印。此外，在电场作用下，液态金属液滴在Carbopol水凝胶中表现出的电毛细现象。利用电场可以使液态金属液滴之间形成电连接，从而赋予油墨导电性能，拓展了其在电子打印和智能材料领域的应用潜力。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48906-w

来源：高分子科学前沿，本文经作者授权独家发布。

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