還記得 1991 年的科幻電影《終結(jié)者 2》里的 T-1000 機器人嗎？它的全身由液態(tài)金屬構(gòu)成，能在固、液態(tài)之間隨意轉(zhuǎn)換，具有強大的變形偽裝能力，幾乎可以偽裝成它碰過的任何人。同時，全身也能變成液態(tài)流淌，與地面融合在一起，之后再緩緩浮出地板，成為固體。
T-1000 液態(tài)金屬機器人
詹姆斯卡梅隆導(dǎo)演的這部電影領(lǐng)先當(dāng)時電影一個時代，影片中殺傷力極強、無法毀滅的液態(tài)金屬機器人在當(dāng)時看來是天馬行空。然而，如今可能會得到實現(xiàn)。
近日，來自中科院理化所和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系的劉靜教授團(tuán)隊，首次提出輕質(zhì)液態(tài)金屬物質(zhì)這個概念，并研發(fā)出系列密度甚至低于水的液態(tài)金屬復(fù)合材料，該項工作發(fā)表在期刊《先進(jìn)功能材料》上。
全新液態(tài)金屬材料
液態(tài)金屬，是指常溫下呈液態(tài)狀態(tài)、可流動且能導(dǎo)電的金屬，因其高導(dǎo)電性和柔韌性，在開發(fā)可穿戴設(shè)備和軟機器人方面十分重要。
在電子領(lǐng)域，液態(tài)金屬可以作為墨水用于 3D 打印直接生成電子電路；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因其與人類有良好的相容性，可以將神經(jīng)電信號連通，用以修復(fù)斷裂神經(jīng)。然而，由于液態(tài)金屬材料自身的高密度，因此也給制成的器件平添額外重量，造成相應(yīng)能量消耗，也削弱了使用的靈巧性。
液態(tài)金屬可以制造水下設(shè)備，改造機器人或制造輕巧的外骨骼（來源：MandriaPix）
而劉靜團(tuán)隊研發(fā)的復(fù)合材料（簡稱 GB-eGaln ）, 是由空心玻璃微珠與液態(tài)金屬構(gòu)成，其密度已從鎵銦合金最初的幅值 6.2 g/cm3 降低至 0.5g/cm3 以下，使其擁有身輕如燕以至于可漂浮于水面的能力。
由空心玻璃微珠及液態(tài)金屬制成的輕量化復(fù)合材料 GB-eGaln
根據(jù)他們的研究，GB-eGaln 具有高粘附力，因此可以成型為薄片。因其良好的延展性，這種材料可輕松塑形為各種平面片狀結(jié)構(gòu)器件，也可以很容易的折疊或卷起，獨立的兩片可以通過按壓形成一個整體。利用該性質(zhì)，人們可以通過類似折紙的方式將其從二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而構(gòu)筑成三維立體結(jié)構(gòu)。
得益于液體金屬優(yōu)良的室溫固液相變性質(zhì)，GB-eGaln 也可通過溫度調(diào)控，十分輕松地在完全柔軟的狀態(tài)和堅硬的金屬物體之間自由切換，這樣，即便是薄片也能實現(xiàn)良好的承重性能。
由于水和液態(tài)金屬對玻璃表面親和性不同，當(dāng)接觸到水后，GB-eGaln 內(nèi)部原有的玻璃微珠 - 液態(tài)金屬連接會被玻璃微珠 - 水連接所替代，從而使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而引起密度及電學(xué)性質(zhì)的改變。研究人員利用這一特性，為 GB-eGaln 薄片設(shè)計了差異性封裝結(jié)構(gòu)，因此可通過在未封裝部位加入少量的水對其漂浮行為加以調(diào)控，可實現(xiàn)漂浮和下沉行為。沉沒后的 GB-eGaln ，也可通過烘干處理，重新恢復(fù)其原有的漂浮與電學(xué)性質(zhì)，因此實現(xiàn)重復(fù)利用。
在研究中，他們還證明了結(jié)合磁體的 GB-eGaln 組件可以在外部磁場和包裝材料的調(diào)節(jié)下控制運動，懸浮和下沉，這為開發(fā)高級智能水下設(shè)備提供了潛在的用途。
一類材料，一個時代
在去年，中科院理化所劉靜、饒偉研究員團(tuán)隊還在材料領(lǐng)域的頂刊《材料科學(xué)與工程》發(fā)表了關(guān)于可變形的液態(tài)金屬納米材料的綜述文章。
一直以來，在生物醫(yī)學(xué)、印刷電子、界面材料和柔性傳感器等領(lǐng)域中，降低液態(tài)金屬液滴的表面張力、增加比表面積及縮小物理尺寸對于液態(tài)金屬至關(guān)重要。而微納米液態(tài)金屬可顯著改變和提升宏觀液體金屬的特定物理化學(xué)性能，展現(xiàn)出宏觀液體金屬力所不及的性能。
在增材制造領(lǐng)域，利用直寫和微注射等制造方式展示了批量生態(tài)液態(tài)金屬圖案的潛在實際應(yīng)用。但受限于較大的表面張力和易于形成的表面氧化物，宏觀液態(tài)金屬與常用的噴墨式打印工藝難以兼容，因此制造導(dǎo)線寬度僅為幾微米甚至更高分辨率柔性電路仍是 “卡脖子” 的難題。然而，引入微納液態(tài)金屬液協(xié)助精確電路的制造，使高分辨率印刷電子 “觸手可及”。
同時得益于尺寸效應(yīng)，液態(tài)金屬微納米顆粒同樣在電磁光熱等方面也表現(xiàn)出了一些異于宏觀液態(tài)金屬的獨特性質(zhì)，這使其在生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、熱管理和微型馬達(dá)等領(lǐng)域發(fā)揮了獨特作用。
微納米液態(tài)金屬材料多領(lǐng)域應(yīng)用上的優(yōu)越性
“人類文明的發(fā)展史啟示我們：一類材料，一個時代”，劉靜說，“中國液態(tài)金屬研究從 2000 年開始至今，已申報 200 余項發(fā)明專利，基本覆蓋液態(tài)金屬的眾多領(lǐng)域。液態(tài)金屬作為一類特殊功能材料，有望在電子信息、生物醫(yī)學(xué)、柔性機器人、新計算機等領(lǐng)域帶來顛覆性變革，并催生出一系列戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)?！?/span>
液態(tài)金屬領(lǐng)域的奇跡
十幾年前，劉靜和他的團(tuán)隊還在鉆研于冷熱刀，這把刀可用于對腫瘤病灶實施深度凍結(jié)和消融，使病人減少痛苦。同時，冷熱刀也可迅速升溫到 80 攝氏度，以處理更大范圍病灶，實現(xiàn)高效止血。如今冷熱刀通過了衛(wèi)生部門的審核，并進(jìn)入臨床使用階段。劉靜感慨，“用十年磨一劍來形容冷熱刀的研制都不夠啊?！?/span>
除了冷熱刀，這 17 年間，劉靜還跨界到了液態(tài)金屬研究領(lǐng)域。
在 2013 年，劉靜和團(tuán)隊就首次發(fā)現(xiàn)了在電場控制下，液態(tài)金屬與水的復(fù)合體可在各種形態(tài)及運動模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的基本現(xiàn)象。之后又在世界上首次發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在吞食少量鋁后，還能自主高速運動且能變形的奇異行為。這一發(fā)現(xiàn)轟動全世界。
之后到了 2015 年，由劉靜教授帶領(lǐng)的清華大學(xué)與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合小組，研發(fā)出世界首個自主運動的可變形液態(tài)金屬機器，無需外部電力驅(qū)動，柔性極佳，為研發(fā)可變形機器人邁出了重要一步。自驅(qū)動液態(tài)金屬機器的問世及其引申出的全新的可變形機器概念，有望變革傳統(tǒng)的機器制造理念，提速柔性智能機器的研制進(jìn)程。
在 2018 年，劉靜團(tuán)隊創(chuàng)造出了一種基于液態(tài)金屬的新型柔性多功能材料，論文刊登在國際學(xué)術(shù)期刊《材料視野》上。這種材料具有良好的導(dǎo)電性和磁性，內(nèi)部會產(chǎn)生氣體并生成多孔結(jié)構(gòu)。在極端情況下，其梯級可快速膨脹至原來的 7 倍以上，膨脹后的多孔金屬甚至可攜帶重物漂浮在水面上。這對于液態(tài)金屬領(lǐng)域來說，又一次創(chuàng)造了奇跡。
一代材料，一代裝備。中科院劉維民說，“我不敢說液態(tài)金屬開辟了一個新的時代，但它作為一種新材料，給我們開辟了一個新世界。”
截至目前，該團(tuán)隊做出了 40 余項全新基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，并在芯片冷卻、熱量捕獲、低成本制氫、桌面電子打印機、3D 打印、神經(jīng)連接、腫瘤治療、柔性可變性機器等方面取得了一系列底層技術(shù)突破。
劉靜：跨界研究液態(tài)金屬
劉靜是中科院理化技術(shù)所雙聘研究員兼清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)系工程系教授，先后入選中科院及清華大學(xué) “百人計劃”，長期從事液態(tài)金屬、生物醫(yī)學(xué)工程與工程熱物理等領(lǐng)域的研究工作。
他本科就讀于清華大學(xué)，學(xué)的是燃?xì)廨啓C，還選修了第二專業(yè)應(yīng)用物理。直博時，他選擇了與工程熱物理及生物醫(yī)學(xué)有關(guān)的研究方向 —— 生物傳熱學(xué)，1996 年獲得工學(xué)博士學(xué)位后留校任教，開始了他的科研生涯，而他與液態(tài)金屬的 “相遇” 純屬偶然。
2001 年，劉靜正努力尋找一種能讓計算機芯片快速散熱的材料。在多次嘗試后，劉靜意識到液態(tài)金屬具有超高的導(dǎo)熱性，作為冷卻液可將集成電路中的熱量快速導(dǎo)出。就此，他開始了在液態(tài)金屬領(lǐng)域的研究。
十幾年的蟄伏，劉靜鉆研于液態(tài)金屬領(lǐng)域，發(fā)表了 100 多篇論文，幾乎每年都有成果產(chǎn)出，他對科研的癡迷，也讓他收獲了碩果。2014 年，劉靜榮獲威廉?伯格獎，這是中國科學(xué)家首次獲得國際傳熱界最高獎項。威廉?伯格獎每 4 年頒發(fā)一次，每次僅有 1 名獲獎?wù)摺?/span>
劉靜學(xué)術(shù)大數(shù)據(jù)（來源：清華大學(xué)AMiner）
參考：
[1] Bo Yuan et al.Lightweight Liquid Metal Entity,Advanced Functional Materials (2020)._http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201910709
[2] Mingkuan Zhang et al. Transformable soft liquid metal micro/nanomaterials,Materials Science and Engineering:R:Reports (2019)https://doi.org/10.1016/j.mser.2019.03.001
[3]https://phys.org/news/2020-02-scientists-lightweight-liquid-metal-materials.html
[4]http://www.ecorr.org/dhTJDAOHANG/fhjs/jishuchengguo/2020-02-21/176237.html
[5]http://www.polymer.cn/sci/kjxw15354.html
[6]http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/9659/2018/20180122155117924160929/20180122155117924160929.html
[7]https://www.sohu.com/a/221472587806277
