通过氢键工程实现具有金属级导热性的柔性橡胶

为什么更凉快的设备需要更柔软的材料

随着我们佩戴智能手表、健身手环并使用软体机器人，一个顽固的问题不断出现：高温。紧凑封装的电子设备容易升温，而那些贴肤舒适的材料通常像毯子一样阻隔热量。本研究提出了一种新型橡胶材料，在保持橡皮筋般可拉伸性的同时，能将热量传导得几乎接近某些金属，指向更安全、更可靠的可穿戴电子方案。

在柔韧性与热传导之间取得平衡

大多数柔性塑料和橡胶易于弯曲，却很难把热量带走；它们的热导率通常远低于金属。金属则相反，导热性能极佳，但笨重、刚性且对皮肤不友好。多年来，工程师尝试将导热的硬质颗粒混入软聚合物中以兼得两者，但为提升热传导而填充足够多的颗粒通常会使材料变硬且脆弱。本文作者致力于打破这一权衡，使材料既柔软又能成为高效的热通道。

橡胶内部隐藏的液态金属

研究人员以常见的柔性聚氨酯为基体，并引入由镓和铟组成的液态金属合金微滴。由于该合金在室温下为液态，其液滴能在橡胶内部伸展和重塑，而不像固体颗粒那样开裂。挑战在于这些液滴天然表现为孤立的“岛屿”，彼此之间难以充分连接以形成连续的热通路。为解决此问题，研究团队改性了液滴表面，使其能与周围聚合物发生强相互作用，促使液滴靠得更近，并在材料拉伸时形成近连续的路径。

用无形的分子钩子引导热流

该设计的核心是对氢键的精细控制——氢键是一种相对较弱的分子间吸引力，类似可逆的钩环扣合。科学家通过调节聚氨酯的化学组成，使其含有可形成氢键的受控位点。他们还在液态金属液滴的氧化表皮上接枝带氮基团的小分子。当混合时，橡胶链和液滴表面在橡胶内部及橡胶—金属界面形成致密的氢键网络。借助红外光谱和X射线衍射等技术，研究团队显示这些氢键使聚合物链排列并有序化，既为热流创建更有序的通路，又加强了液滴与基体间的结合。

拉伸将液滴变为热传导高速通道

当这种被称为LiMPuC的材料被拉伸时，显微尺度上发生了令人注目的变化。液态金属液滴在拉伸方向上被拉长并排列，氢键帮助它们与周围聚合物链保持紧密接触。这种重排将分散的液滴转变为几乎相连的珠链，沿拉伸方向形成高效的热通道。使用定制测试装置的测量表明，在体积分数为46%的中等金属含量下，材料在400%应变时的热导率上升到约23.4 W m-1 K-1，这一数值相当于某些金属，但却是在柔软、橡胶状的条带中实现的。关键是，该材料仍可拉伸超过其原长的七倍且具高韧性，意味着在断裂前能吸收大量能量。

这对未来设备意味着什么

对普通用户而言，关键结论是：未来可能戴上在弯曲、扭转和拉伸过程中仍能保持凉爽舒适的电子设备。通过将氢键用作可调的分子“钩子”，研究人员制造出一种在应变下能自动重组其内部液态金属网络的橡胶，从而在最需要的时刻和位置提高散热效率。这一策略为构建柔性、高性能热材料提供了通用配方，可在下一代可穿戴设备和柔性电路中作为类皮肤散热片或软传感器发挥作用。

引用: 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

关键词: 液态金属橡胶, 热导率, 可穿戴电子, 柔性材料, 热管理