随着人工智能和先进电子设备的广泛应用，高效的热量散布和导向控制已经成为一种核心技术挑战。传统的导热复合材料通常由弹性聚合物基体和刚性导热填料组成，但由于填料的随机分布，热导性能往往表现为各向同性，这限制了对热流方向的精准控制。此外，固体填料尽管能提高热导率，却常导致材料灵活性降低，这对于某些柔性设备的热管理是不可接受的。
镓基液态金属不仅具有高热导率和良好的机械柔性，还具有可重构性和低毒性等独特特性，非常适合用于软体电子设备和传感器。然而，液态金属颗粒通常呈球形随机分布，需要进一步处理才能形成异向性的微结构，而传统处理方法复杂且效率不高。
近日，Eric J. Markvicka和Michael D. Bartlett教授团队利用DIW技术直接在打印过程中对液态金属的微结构进行编程。通过调节打印路径和工艺参数，在同一薄膜中实现局部方向可调的液态金属结构，从而赋予材料异向性和异质性的导热特性。在实验中，这些通过设计的液态金属微结构显著提高了材料的热导性能，例如沿某一方向的热导率达到了9.9 W m−1·K−1，比未填充的弹性体高出约40倍。与此同时，材料的机械柔性得以保留。作者还展示了这些液态金属复合材料在实际热管理中的潜力。通过设计不同方向的微结构区域，可以精确控制热量在柔性薄膜中的散布路径和强度，从而实现了对热流的定向和空间控制。这一创新方法为未来热二极管、软体电子设备和软体机器人等领域提供了新的解决方案。
相关研究成果以Anisotropic and Heterogeneous Thermal Conductivity in Programmed Liquid Metal Composites Through Direct Ink Writing为题发表在Advanced Functional Materials上
图1: 通过DIW打印设计液态金属微结构实现可编程热导率。(a) DIW打印过程示意图。(b) 不同样品的热导率。(c) 具有拉伸柔性和热散性能的LMSC的红外图像。(d) LM微结构的各向同性/各向异性热导率示意图。(e) 不同区域微结构的光学显微图像。(f) IR图像展示设计微结构的热导方向性和区域性。
