通过动态界面液态金属配位实现自愈材料的通用策略

修复会破损的材料为什么重要

从智能手机屏幕到可穿戴传感器和电动汽车，现代生活依赖于软质塑料和橡胶，这些材料随着时间不可避免地会出现裂缝或撕裂。一旦损坏，许多此类材料必须更换，浪费能源、金钱和资源。本研究提出了一种巧妙的方法，使各种塑料和橡胶在受损后能够自我愈合，同时还能将热量从电脑芯片等高温电子设备中传导走。

把金属变成液态创可贴

许多自愈材料依赖可逆的化学键，这些键可以断开并重新形成。基于金属的键特别有吸引力，因为它们的强度和响应性可以调节。然而，大多数金属——基的键要么太强，使材料锁定为刚性、不可愈合的网络，要么太弱不足以将固体维系在一起。作者通过将少量“活性”金属（如银、锌和铜）溶入接近室温为液态的镓中来解决这一困境。结果是多组分的液态金属，在塑料或橡胶中形成分散的微小液滴。这些液滴位于液体与固体的边界处，形成一个动态且可移动的界面，金属原子可以与周围材料发生键合，但在材料受损时也能移动和重排。

裂缝如何自我闭合

在静止状态下，每个液态金属液滴表面的活性金属原子与聚合物链上的化学基团松散连接，形成赋予材料强度的网络。当材料被切割或拉伸至断裂时，聚合物与这些界面联系都会被破坏。由于液滴具有流动性，新鲜的金属原子会流向受损表面，更新界面并与附近的聚合物链形成新的连接。随着时间推移，这一过程将裂缝的两侧重新缝合。在充满银–镓液滴的天然橡胶中，愈合后的样品在室温下恢复了超过90%的原始力学性能，远超仅有橡胶本身或仅填充固态银或纯镓的橡胶。

适用于多种塑料的通用配方

作者表明，这种液态金属策略并不限于某一种橡胶或特定化学体系。他们还将锌–镓和铜–镓液滴嵌入含有咪唑基团的丙烯酸基塑料中，这是一种常见的化学基元。这些复合材料在被切割后静置愈合，愈合效率同样在约90%左右，愈合后也能承受相当的载荷。显微镜、光谱学和计算机模拟揭示了原因：活性金属原子在每个液滴内分布均匀，并在镓的环境中略带极化，使它们对聚合物中的硫或氮原子既有亲和力但又不过于强烈。这种平衡产生的键既足够强以承载负荷，又足够松动以让界面反复自我更新。

长期为电子设备降温

由于金属具有极好的导热性，研究团队还将这些自愈复合材料制成热界面材料——置于高温芯片与散热器之间的薄膜。填充银–镓液滴的薄膜热导率可达约6.8 W/m·K，远高于基底橡胶，同时仍保持电绝缘。在实际中央处理器（CPU）上使用时，这些薄膜相比普通橡胶可将峰值温度降低约20–30摄氏度，且在−10至100摄氏度的反复温度变化后仍能保持该冷却性能。那些通常会降低热传导的表面裂缝会随着薄膜的自愈逐渐消失，从而使芯片保持在安全工作范围内。

对未来设备的意义

用通俗的话说，这项研究提供了一种广泛适用的配方，使塑料和橡胶在受损后能够“自我缝合”，而不会牺牲强度或散热能力。通过将液态金属液滴作为金属键的可移动锚点，研究者将原本不可逆的连接转换为可修复的连接。这一通用策略可能催生寿命更长的可穿戴电子、更安全的电池和更可靠的高性能计算设备，同时减少废弃物和维护成本。

引用: Li, Z., Zhang, Y., Liu, S. et al. A universal strategy towards self-healing materials via dynamic interfacial liquid metal coordination. Nat Commun 17, 2815 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69609-4

关键词: 自愈材料, 液态金属, 聚合物复合材料, 热界面材料, 柔性电子