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清華大學劉靜團隊：提出輕量化液態金屬物質概念并實現系列多功能材料水上漂

2020-02-21 14:45:33 作者：高分子科學前沿來源：高分子科學前沿分享至：

室溫液態金屬材料，尤其是鎵基合金等低熔點合金，既具備傳統金屬良好的導電性及導熱性，又擁有常規液體卓越的流動性，近年來逐漸在芯片冷卻、印刷電子、柔性機器人以及生物醫療等領域占據了日益重要的位置。但與此同時，液態金屬材料自身的高密度也給由此制成的器件平添額外重量，造成相應能量消耗，也削弱了使用的靈巧性。設想，若能實現液態金屬及其衍生材料的輕量化，將打開若干可望改變游戲規則的應用。

近日，清華大學醫學院生物醫學工程系劉靜教授團隊首次提出輕量化液態金屬物質理念，并研發出系列密度甚至低于水的液態金屬復合材料。在作者們展示的一類由空心玻璃微珠與液態金屬構成的代表性復合材料（簡稱GB-eGaIn）中（圖1），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，這使其擁有了身輕如燕以至可漂浮于水面的能力；而且，根據實際需求，此類終端材料的密度可在較寬范圍予以設計調控。除了繼承有液態金屬良好的導電性及相變特性外，這樣的輕型材料還具備優異的可塑性，由此可顯著拓展液態金屬材料的應用場合。

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圖1. 由空心玻璃微珠及液態金屬制成的輕量化復合材料GB-eGaIn

輕量化液態金屬復合材料的制備過程十分簡捷（圖2）。一種典型途徑是，基于鎵銦合金表面氧化膜與玻璃表面良好的親和性，可借助機械攪拌方法將其與空心玻璃微珠迅速結合，形成均勻、穩定、可塑的混合物。通過改變玻璃微珠種類及其與鎵銦合金的配比，研究者們制備出了密度從0.448g/cm3到2.010 g/cm3不等的一系列GB-eGaIn材料，并對各配比情況下GB-eGaIn材料的結合力與電阻率等進行了測量（圖2）。試驗發現，隨著液態金屬含量的增多，復合材料的密度逐漸提高，導電性和內部結合力也對應增強，為不同應用情景提供了豐富的材料選項。研究者們還具體針對GB-eGaIn的基本性質，演示了平面結構與立體結構兩種典型應用場景。

圖2. 輕量化液態金屬復合材料的相關性質

1. 平面結構器件及其應用

基于GB-eGaIn良好的延展性，這種材料可輕松塑形為各種平面片狀結構器件，并實現卷曲、折疊等行為，獨立的兩片材料還可以通過按壓形成一個整體。利用該性質，人們可以通過類似折紙的方式將其從二維平面結構轉而構筑成三維立體結構。得益于液態金屬優良的室溫固液相變性質，GB-eGaIn也可通過溫度調控在可塑性的柔性狀態及可承重的剛性狀態下自由切換，這樣，即便是薄片也能實現良好的承重性能（圖3）。

圖3. 平面GB-eGaIn材料的力學及電學性質

2. 漂浮性能調控

由于水和液態金屬對玻璃表面親和性不同，當接觸到水后，GB-eGaIn內部原有的玻璃微珠-液態金屬連接會被玻璃微珠-水連接所替代，從而使其內部結構發生改變，進而引起密度及電學性質的改變（圖4）。研究者們利用這一特性為GB-eGaIn薄片設計了差異性封裝結構，由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控；并基于這一特性設計了水面漂浮開關，為其在水環境中的電路應用提供了可能（圖5c）。沉沒后的GB-eGaIn，可通過烘干處理，重新恢復其原有的漂浮與電學性質，由此實現重復利用。

圖4. 水對GB-eGaIn材料結構的影響

圖5. 平面GB-eGaIn的漂浮行為及其在水中的電學特性

3. 3D結構器件及其應用

除了用于構建平面結構外，GB-eGaIn也可輕松地借助模具或手工制作成特定三維形態（圖6a）。塑形好的GB-eGaIn器件在經過PU膜的防水封裝后，可作為漂浮器件應用于水中，其承重能力可達自身重量的8倍。類似于片狀結構，三維GB-eGaIn器件也可以通過加水或破壞其封裝材料對其漂浮性能予以調控，由此實現漂浮、懸浮及沉沒等行為（圖6c）。基于這些性質，研究者在該元件上附加了磁鐵單元，借助磁場作用實現了對該器件的運動調控使其到達目標地點（圖6e），由此完成對其漂浮行為的控制。

圖6. 三維GB-eGaIn構件及其在水中的應用特性

以上成果以“輕量化液態金屬物”（Lightweight Liquid Metal Entity）為題在線發表于國際知名期刊Advanced Functional Materials上（https://doi.org/10.1002/adfm.201910709），清華大學醫學院2016級博士生袁博為本文第一作者，清華大學醫學院生物醫學工程系教授、中科院理化技術研究所雙聘研究員劉靜為本文通訊作者。

感謝國家自然科學基金重點項目（No.91748206）的資助！

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