聚合物接枝镓基室温液态金属纳米液滴的制备与性能研究

Polymer grafted gallium-based room temperature liquid metal (LM) nanodroplets combine the excellent properties of polymer and LM, which are interesting candidates for potential applications in polymer composites, flexible electronics and biomedicine. However, the preparation of LM nanodroplets is limited due to poor colloidal stability, difficulty in size control and surface modification. To address these issues, we propose to sonicate bulk LM in a solution of atom transfer radical polymerization (ATRP) initiator to prepare ATRP initiator immobilized LM nanodroplets with a narrow size distribution and average diameter less than 100 nm. Then, polyhydroxyethylmethacrylate (PHEMA), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), poly(2-methacrylolyloxyethyltrimethylammonium chloride) (PMETAC), or poly(3-sulfopropyl methacrylate potassium) (PSPMA) are grafted to the surface of LM nanodroplets by ATRP with the immobilized ATRP initiator to improve their surface properties and colloidal stability. In addition, solvent, ionic strength, temperature, polymer grafting density and chain length are tuned to modulate the conformation of polymer chains, and direct the self-assembly of polymer-grafted LM nanodroplets. Finally, the resulting self-assembled films of polymer-grafted LM nanodroplets is used to prepare flexible circuits.

聚合物接枝镓基室温液态金属纳米液滴将聚合物和液态金属的性质结合于一体，在高分子复合材料、柔性电子、生物医药等领域有潜在的应用价值。由于制备方法的局限，液态金属纳米液滴存在尺寸分布不均、胶体稳定差、功能化修饰困难等问题。针对这一问题，本项目计划利用超声波在原子转移自由基聚合（ATRP）引发剂溶液中将液态金属分散，获得尺寸较均匀、直径小于100 nm的ATRP引发剂修饰的液态金属纳米液滴，然后通过表面引发ATRP方法在纳米液滴表面接枝聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚(甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯)、聚[3-(甲基丙烯酰氧基)丙磺酸钾]等聚合物，改善纳米液滴的表面性能和胶体稳定性。研究溶剂、离子强度、温度、聚合物链接枝密度及长度等参数对接枝聚合物链构象行为的影响，调控聚合物接枝液态金属纳米液滴的自组装行为，获得纳米液滴自组装薄膜，用于液态金属柔性电路的制备。

由聚合物基体和室温液态金属液滴构成的复合材料将聚合物与液态金属的性质结合于一体，在高性能复合材料、柔性电子、热管理等领域有着重要的应用潜力。本项目首先研究了液态金属液滴在水溶液环境中的稳定性，通过跟踪观察液态金属液滴存放在水中以及在水-空气界面处发生的形态转变，揭示了液态金属液滴的氧化和水解规律。第二，利用多巴胺作为表面活性剂去分散液态金属，稳定形成的纳米液滴，然后通过多巴胺的自聚合，制备了聚多巴胺包覆的液态金属纳米液滴，并通过聚多巴胺层调控液态金属液滴与贵金属盐间的电置换反应以及固体纳米颗粒的生长，构建了一种固-液多金属纳米结构。第三，利用液态金属液滴与引发剂协同引发聚合反应，并将液滴用做一种软交联点，通过氢键交联聚合物链，制备了液态金属复合水凝胶和聚合物液态金属复合材料。最后，提出了一种利用明胶凝胶调控液态金属液滴沉积和烧结的方法，在各种基底上制备了大面积的液态金属薄膜和图案，并探索了这种薄膜和图案在柔性电子、散热界面中的应用。这些研究成果展示了液态金属液滴在聚合物材料的合成与改性中的应用潜力，为聚合物液态金属复合材料的设计和制备提供了新的思路，并有利于促进其在催化、柔性电子、热管理等领域中的应用。