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液態金屬大顯神通，《終結者》更進一步

2021-06-28 10:56:30 作者：材料人來源：材料人分享至：

一說到液態金屬，科幻迷們就能立馬想到電影《終結者》系列中的堅不可摧的液態金屬機器人T-1000，這種可自由變換形態的機器人展現出了液態金屬所具的特性：液態的流動性、非晶金屬的高強度，可自我修復損傷等。

（圖片來源自《終結者》劇照）

在現實中，液態金屬通常使用鎵、銣、銫等低熔點金屬的共晶合金，作為一種正離子流體和自由電子氣組成的混合物，液態金屬不僅具有液態金屬機器人的奇特性能，因為其不定型的液體形態還具有極佳的電性能、熱力學性能等，因此在仿生機器人、藥物輸送、集成電路設計、柔性電子產品領域等具有非常廣闊的應用前景。

鎵的熔點只有29℃，可被人手熔化（圖片來源自網絡）

最近，國內兩個團隊分別發表液態金屬最新研究，將這種神奇材料再次帶入到大家的視野，使液態金屬距離實現《終結者》中的液態機器人更近了一步。

一種可快速實現固液可逆轉換的磁流體夾持器

磁場可對鐵磁性材料實現靈巧、精確和實時的控制。然而，對于大多數材料，如玻璃、有機物和金屬，都是非磁性的，通常對磁場沒有反應。

最近，來自清華大學、中科院理化所等的Hongzhang Wang（汪鴻章）團隊報道了一種磁場操控非磁性物體的方法，通過將磁性鐵顆粒混入純鎵中制成的過渡態磁流體（transitional ferrofluid，TF），這種液態金屬TF在磁場控制的可逆固液相變過程中可對任意物體產生互鎖力，從而實現對非磁性物體的磁操縱。

圖4：過渡態磁流體TF的可逆相變及其制造方法。（a）TF的固液可逆相變。（b）通過TF的相變展示非磁性物體的可轉換磁性抓取。（I）在液態（T>Tm = 29.8 °C）下，可變形的 TF 可以與目標物體緊密接觸；（II）TF在室溫下固化（T=25°C < Tm）并緊密聯鎖嵌入物體，無需外部能量消耗；（III）利用TF的磁性，可以通過磁場遠程抓取嵌入的物體；（IV）運送到指定地點后，通過在適度加熱再次熔化TF，使物體脫離。（f）由橡膠和TF制成的人造手可以模仿真手的不同手勢，并可通過融化和固化TF，重新抓取水果。（g）固化后的TF與玻璃之間具有很強的附著力，并產生能懸掛500 g重量的互鎖力。（h）制造過渡鐵磁流體的基本程序。（i）不同濃度的TF和HCl的生產率曲線。（j）不同HCl濃度下鎵與的鐵瓶之間的接觸角曲線，比例尺為 2 毫米。

該液體金屬TF制成的夾持器可以與任意形狀的物體緊密接觸，然后在室溫（25℃）固化后產生高達1168 N（僅使用10 g TF）的強大互鎖力，并且可以通過電磁感應加熱融化（熔點Tm為29.8℃）來可逆解除（F < 0.01 N）。抓取非磁性物體的模式分為：嵌入或涂層（液體）和互鎖或粘附（固體）。因此，可以通過TF的相變實現對任意形狀物體的磁性操縱，而無需對目標物體進行其他處理。

實驗結果表明，與純鎵相比，TF的熔化和凝固過程均得到增強，提高了抓取和釋放的工作效率，這歸因于鎵中分散的鐵顆粒。這項研究有望給軟體機器人、遠程操作系統、藥物輸送和液體夾持器的可逆磁驅動方面提供眾多潛在應用。

而劉靜研究員，作為這篇文章的共同通訊作者，早在2015年就帶領中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組，在Advanced Materials上發表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”的研究論文，實現了世界首臺無需外部電力的自主運動液態金屬機器，并迅速被Nature研究亮點、Science新聞、New Scientist等數十個知名科學雜志或專業網站專題報道，被外媒形容為制造出“終結者”機器人，在國際上引起劇烈反響和熱議。

劉靜研究員當年的文章被作為了期刊封面

液態金屬納米粒子的尺寸決定導電/介電功能

可拉伸功能材料最近受到廣泛關注，因為它們廣泛用于可變形電子設備，從機器人傳感皮膚和可穿戴通信電子設備到生物集成設備。

制備可拉伸功能材料最有前途的方法是將功能填料嵌入彈性體中，從而將無機功能的互補優勢與彈性體的機械拉伸性相結合。而液態金屬（LM），特別是共晶鎵銦（EGaIn），似乎是解決功能性和可拉伸性之間權衡的最有希望的候選者。

南開大學材料科學與工程學院梁嘉杰團隊使用一系列具有不同肖氏硬度的各種聚氨酯和不同直徑的液態金屬納米粒子（LMNP）制成的彈性體/LMNPs復合材料，系統地研究液態金屬顆粒的斷裂應力與直徑之間的關系。制造了基于液態金屬的超穩定、高彈性和高導電性的可拉伸電極。

該液態金屬顆粒有內部的高導電液態金屬和外部的絕緣氧化物Ga2O3殼組成。當外部應力大于絕緣氧化物的破碎應力時，液態金屬顆粒破碎、融合，在材料內部形成豐富的導電通路；當外部應力小于絕緣氧化物的破碎應力時，液態金屬顆粒保持完整，提高復合材料的介電常數與電容性能。該成果以“Rupture stress of liquid metal nanoparticles and their applications in stretchable conductors and dielectrics”為題發表在npj Flexible Electronics 上。

圖6：（a）液態金屬納米顆粒的制備過程及其核殼結構。（b） LMNPs-1.4與LMNPs-0.3分別應用于制備可拉伸電極與可拉伸絕緣材料工作原理示意圖。

研究人員通過實驗和數值計算建立了不同肖氏硬度彈性體的應力-應變曲線與不同直徑的LMNPs的斷裂應力之間的關系。發現隨著液態金屬納米顆粒尺寸增加，破碎應力逐漸變小。

圖7：（a）液態金屬納米顆粒破碎應力與直徑的關系。（b） 50%LMNPs-1.4/85PU與50%LMNPs-0.3/85PU破碎應變的實驗值與理論值。（c） 50%LMNPs-1.4/65PU與50%LMNPs-0.3/65PU破碎應變的實驗值與理論值。

根據計算結果提供的指導，研究團隊采用聚結的破碎LMNPs 1.4制造了基于液態金屬的、超穩定、高彈性和高導電性的電極。

作為可拉伸導體，85% LMNPs-1.4/85PU復合材料展示了大的拉伸性（>500%）和高導電性（0% 應變時為11702 S·cm-1，500% 應變時為24130 S·cm-1）。

此外，通過使用完整的LMNPs-0.3制造了具有高介電常數和比電容的介電薄膜。作為介電層，50% LMNPs-0.3/55PU介電膜在580%應變下仍可保持絕緣態。與空白對照相比，比

電容和介電常數分別達到 64.7 nF·cm-2和76.8，分別增強了1200%和1240%。

圖8. （a） 85%LMNPs-1.4/85PU拉伸狀態下的電導率與拉伸應變的關系，（b）實驗數據擬合，（c） 85%LMNPs-1.4/85PU在300%應變、不同速度（0.12 Hz, 0.16 Hz, 0.24 Hz, 0.30 Hz, 和 0.01Hz）下循環20000次過程中的電阻變化。

圖9：基于液態金屬的可拉伸電介質的電學性能。（a）在10-100 kHz下LMNPs-0.3/55PU與不同體積配比LMNPs-0.3的比電容和耗散的比較。（b）在100 kHz頻率下，不同液態金屬添加量LMNPs-0.3/55PU的介電常數。（c）在10-100 kHz頻率范圍內，50%LMNPs-0.3/55PU在不同應變下的電容變化。（d） 100%應變下拉伸1,000次過程中，50%LMNPs-0.3/55PU的電容與損耗變化。

疲勞測量表明介電薄膜在100%應變下可穩定循環1000次。這證明了LMNPs-0.3在電介質內的高穩定性，并進一步證實了計算提供的指導的準確性。

總之，該研究結果將指導液態金屬的系統研究，并推動下一代可拉伸變形電子學的發展。目前液態金屬材料及其應用正處于蓄勢待發的階段，將為眾多領域帶來全新的變革。

原文鏈接

[1] Wang H, Chen S, Li H, et al. A Liquid Gripper Based on Phase Transitional Metallic Ferrofluid[J]. Advanced Functional Materials, 2021: 2100274.

[2] Liu Y, Ji X, Liang J. Rupture stress of liquid metal nanoparticles and their applications in stretchable conductors and dielectrics[J]. npj Flexible Electronics, 2021, 5（1）： 1-7.

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