来源 | Nature Communications

链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-026-71056-0

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背景

在可穿戴设备、人工智能机器人和高密度集成电路飞速发展的今天，如何同时实现材料的优异柔韧性与高效热管理已成为一个根本性难题。传统的聚合物材料如橡胶虽然柔韧，但其导热系数通常低于0.3 W/(m·K)，是典型的热绝缘体；而金属和陶瓷虽然导热性能优异，却缺乏必要的柔韧性。这种柔性与导热性之间的此消彼长，长期困扰着下一代柔性电子器件的热管理材料研发。

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成果掠影

近日，中国科学院福建物质结构研究所林悦研究员团队提出了一种基于氢键工程的全新策略，成功开发出一种液态金属-聚氨酯复合材料。通过调控聚氨酯基体氢键密度、对共晶镓铟（EGaIn）液态金属进行 -NH₂官能化修饰，在仅46 vol%液态金属填充下，材料常温导热率达4 W/m·K，400% 拉伸应变下导热率飙升至23.42W/m·K，柔性品质因子超过100，同时具备>700%断裂伸长率与9.97 MJ・m⁻³超高韧性，一举打破了材料科学领域长期存在的柔性与导热性难以兼得的困局；为可穿戴电子、柔性集成电路的先进热管理提供全新材料方案。研究成果以“Flexible rubber with metal-like thermal conductivity achieved via hydrogen bonding engineering” 为题，发表于《Nature Communications 》期刊。

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图文导读

图1 | 液态金属-聚氨酯复合材料的设计原理示意图 a，不同材料的热导率与柔韧性品质因子的对比，揭示了二者之间固有的权衡关系。通过利用氢键，我们打破了这种权衡，创造了一种既极其柔软又高度导热的材料。b，氢键如何影响LiMPuC内部结构的示意图。丰富的氢键充当热量的“储存库”，从而提高了复合材料的热容。此外，液态金属液滴与聚合物基体之间的界面氢键增强了热渗流网络的连通性和效率，显著提升了热导率和柔韧性。

图2 | 聚氨酯的氢键调控策略与结构特征 a，合成单体及聚氨酯的化学结构，突出了基体内多重氢键相互作用。b，采用不同分子量软段合成的聚氨酯及其单体的傅里叶变换红外光谱。c，特征FT-IR峰的高斯拟合解卷积，突出显示了由于氢键引起的峰位移动。d，聚氨酯的X射线衍射图谱。e，聚氨酯的差示扫描量热曲线。f，包含不同分子量PTMEG软段的聚氨酯中量化氢键密度，以及可用的氢键受体和供体数量。 

图3 | LiMPuC的氢键调控与力-热耦合 a，液态金属表面处理的示意图。b，LiMPuC的傅里叶变换红外光谱。c，LiMPuC中红移的特征–C=O和–C=N峰，表明氢键增强。d、e、f，羰基、醚和氢键供体区域的解卷积，区分了基体-基体相互作用和界面相互作用。g，LiMPuC的X射线衍射图谱。h，不同PTMEG分子量下氢键密度组分的量化。i，LiMPuC热导率与界面氢键密度的相关性。误差棒表示标准差。j，应力-应变曲线，显示了极限应变和韧性分别与PU-PU氢键密度和LM-PU氢键密度的相关性。k，本工作与文献中单位体积分数热导率与韧性的对比。虚线作为视觉辅助线。 

图4 | LiMPuC在拉伸条件下的热性能 a，基于ASTM-D5470标准的热导率测试装置示意图。b，热导率随应变增加的变化，误差棒表示标准差。c，在恒定应变速率下，界面氢键密度对LiMPuC热导率的影响。d，液态金属-Ecoflex™复合材料（上）和LiMPuC（下）在0%和200%应变下的SEM图像及相应的示意图。LM富集区域（红色）仅为视觉辅助。示意图总结了观察到的微观结构演变，强调了液滴形状、取向和液滴间距的变化。e，本工作与文献中单位体积分数热导率与液态金属颗粒长径比的对比，突出了氢键对提高填料热增强效率的作用。

图5 | LiMPuC的机械与热力学表征 a，照片展示了LiMPuC在弯曲、扭曲和拉伸状态下的柔韧性。b，一张照片（上）及对应的红外热像图，显示了一个扭曲的LiMPuC样品（中）和一个扭曲的PDMS样品（下）以作对比。c，一张照片（上）及对应的红外热像图（下），比较了不同样品（从左至右）：拉伸至400%应变的LiMPuC3.41、未拉伸状态的LiMPu3.41、不锈钢和PDMS。温度-距离曲线（右下）证实，拉伸后的LiMPuC3.41在传热效率上优于不锈钢，而PDMS作为热绝缘体保持着最陡峭的温度梯度。