Гибкая резина с металлической теплопроводностью, достигнутая за счёт инженерии водородных связей

Почему более прохладным устройствам нужны более мягкие материалы

По мере того как вокруг нас появляются смарт‑часы, фитнес‑браслеты и мягкие роботы, одна назойливая проблема продолжает возвращаться: тепло. Электроника, упакованная в плотные корпуса, быстро нагревается, тогда как материалы, приятные на ощупь и комфортные для кожи, обычно удерживают тепло как одеяло. В этом исследовании представлен новый вид резиноподобного материала, который переносит тепло почти так же эффективно, как некоторые металлы, оставаясь при этом таким же растяжимым, как резинка — это открывает путь к более безопасной и надёжной носимой электронике.

Баланс между гибкостью и теплоотводом

Большинство гибких пластиков и резин хорошо гнутся, но плохо проводят тепло: их теплопроводность обычно существенно ниже, чем у металлов. Металлы, напротив, прекрасно проводят тепло, но тяжёлые, жёсткие и неудобны при контакте с телом. В течение многих лет инженеры пытались ввести твёрдые теплопроводящие частицы в мягкие полимеры, чтобы совместить достоинства, но большое содержание частиц, необходимое для отвода тепла, обычно делает материал жёстким и хрупким. Авторы этой работы сосредоточились на разрыве этой компромиссной зависимости, чтобы материал мог быть одновременно мягким и эффективным в переносе тепла.

Жидкий металл, скрытый в резине

Исследователи построили свой новый материал на основе распространённого гибкого полимера полиуретана и крошечных капель жидкого металлического сплава на основе галлия и индия. Поскольку этот металл жидок при комнатной температуре, его капли могут удлиняться и менять форму внутри резины, вместо того чтобы трескаться, как твёрдые частицы. Проблема в том, что эти капли по‑умолчанию ведут себя как изолированные «островки», которые недостаточно соединены, чтобы сформировать сплошные «шоссе» для тепла. Чтобы исправить это, команда модифицировала поверхность капель так, чтобы они могли сильно взаимодействовать с окружающим полимером, что поощряет их располагаться ближе друг к другу и образовывать почти непрерывные пути при растяжении материала.

Направление тепла невидимыми молекулярными крючками

В основе дизайна лежит тщательный контроль водородных связей — вида относительно слабого взаимодействия между молекулами, которое действует подобно обратимому крючку‑петле. Учёные настроили химию полиуретана так, чтобы в полимере было регулируемое число участков, способных образовывать такие связи. Они также привили небольшие молекулы с азотсодержащими группами на оксидную оболочку капель жидкого металла. При смешивании цепочки резины и поверхности капель образуют плотные сети водородных связей как внутри полимера, так и на границе резина–металл. С помощью методов, таких как инфракрасная спектроскопия и рентгеновская дифракция, команда показывает, что эти связи выравнивают и организуют полимерные цепи, создавая более упорядоченные пути для теплопотоков и одновременно укрепляя сцепление между каплями и матрицей.

Растяжение превращает капли в тепловые шоссе

Когда материал, названный LiMPuC, растягивают, на микроскопическом уровне происходит нечто замечательное. Капли жидкого металла удлиняются и выстраиваются вдоль направления растяжения, а водородные связи помогают сохранять их плотный контакт с окружающими цепями. Эта перестройка превращает разбросанные капли в нитевидные «бусины», которые почти соприкасаются, формируя эффективные каналы для переноса тепла вдоль направления растяжения. Измерения на самодельной испытательной установке показывают, что при умерённом содержании металла в объёме 46 процентов теплопроводность поднимается примерно до 23,4 Вт·м⁻¹·К⁻¹ при 400‑процентном растяжении, что сопоставимо с некоторыми металлами, но достигнуто в мягкой, резиноподобной полоске. Важно, что материал по‑прежнему может растягиваться более чем в семь раз от исходной длины и обладает высокой прочностью на разрыв, то есть способен поглощать значительную энергию перед разрушением.

Что это значит для будущих устройств

Для повседневных пользователей главный вывод таков: вскоре может стать возможным носить электронику, которая остаётся прохладной и комфортной даже при изгибе, скручивании и растяжении вместе с движениями тела. Используя водородные связи в роли настраиваемых молекулярных крючков, исследователи создали резину, которая автоматически реорганизует свою внутреннюю сеть жидкого металла под нагрузкой, усиливая отвод тепла тогда и там, где это наиболее необходимо. Эта стратегия предлагает общее руководство по созданию гибких, высокоэффективных тепловых материалов с перспективным применением в виде кожеподобных рассеивающих тепловых пластин или мягких сенсоров в следующих поколениях носимых устройств и гибких схем.

Цитирование: Liu, X., Wen, J., Xu, R. et al. Flexible rubber with metal-like thermal conductivity achieved via hydrogen bonding engineering. Nat Commun 17, 4480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71056-0

Ключевые слова: резина с жидким металлом, теплопроводность, носимая электроника, гибкие материалы, управление теплом