江雷院士团队ACS Nano：通过表面含氧官能团诱导的动态浸润液态金属薄层

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-25 07:50

正文

在先进材料和热管理领域，液态金属因其卓越的热导率而成为有前景的候选材料。然而，在实际应用中，如热管理系统或柔性电子设备，液态金属的浸润性常常面临挑战。浸润性是指液体（在此为液态金属）在固体表面上扩展并形成稳定薄层的能力。对于热界面材料（TIMs）等应用，良好的浸润性至关重要，因为它直接影响热传递效率。最近的研究提出了一种新的方法，通过改变基底表面的性质来改善液态金属的浸润性，特别是镓基合金。

近日，中国科学院理化所江雷团队提出利用动态浸润策略，在表面修饰不同官能团的基底上实现液态金属浸润性调控。该研究成果于近日以“Dynamic-wetting liquid metals thin layer induced via surface oxygen-containing functional groups”为题发表在国际顶尖刊物《ACS Nano》上。

研究人员提出了一种动态浸润策略，有效提高了液态金属在不同基底上的浸润性，且无需使用昂贵的金属涂层。这种方法在常温常压下就能实现液态金属薄层的稳定形成，薄层的厚度约为18 mm。研究表明，液态金属在表面有足够含氧官能团（如碳氧键C-O和硅氧键Si-O）的基底上浸润性良好。

图1利用动态浸润法在PDMS表面修饰功能基团实现EGaIn快速超铺展

本研究的一个重要成果是构建了基于滚动角和粘附力数据的相图，这一相图为预测液态金属在聚合物基底上的浸润性提供了有效的工具。研究人员通过这个相图，可以将液态金属的浸润行为进行分类，进而为各种基底的液态金属应用提供指导。此外，X射线光电子能谱分析显示，表面含氧官能团的比例达到18%以上时，液态金属的浸润性明显提高。

图2不同表面官能团的聚合物基底上的EGaIn浸润行为评估

进一步，X射线光电子能谱结果表明，除了氢键的作用外，液态金属的氧化层与基底表面官能团之间的配位作用也是增强浸润性的关键因素。

图3 XPS证实了在动态润湿过程中，EGaIn氧化层与聚合物基底表面官能团之间的配位作用

这一发现具有重要的实际应用意义，尤其是在热管理领域。通过改善液态金属的浸润性，动态浸润策略可以帮助制备更为高效的热界面材料，从而提升电子设备的散热性能。在实验中，与非浸润组相比，浸润组的热传导效率提高了20%，这一成果证明了这一策略在优化热管理系统中的巨大潜力。

图4 EGaIn浸润性对热管理性能的影响

结果与讨论

这项创新的动态浸润策略为液态金属，在多种高性能应用中的使用开辟了新的可能性。通过表面改性精确调控液态金属浸润性，这不仅对热管理系统至关重要，还为3D打印、软机器人、柔性导体和可穿戴能源技术等领域带来了新的机遇。

论文第一作者为中国科学院理化所博士生张玥，论文通讯作者为中国科学院余臻伟副研究员、中国科学院理化所徐哲特别研究助理和江雷院士。该研究得到国家自然科学基金（21988102、21902006和51901009）资助。

文章信息

Yue Zhang, Zhao Wang, Shutong Wang, Zhenwei Yu*, Zhe Xu*, and Lei Jiang* Dynamic-wetting liquid metals thin layer induced via surface oxygen-containing functional groups, ACS Nano,
doi: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16623.

来源：高分子科学前沿

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