一根處理過的銅絲被液態(tài)金屬迅速吞入，隨后在液態(tài)金屬機體上做長時間往復(fù)穿梭運動，如同一根正在演奏中的小提琴琴弦。

    不久前，在中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員劉靜的實驗室里，科研人員向《中國科學(xué)報》記者介紹了他們首次發(fā)現(xiàn)并報道的上述奇妙現(xiàn)象。這里的室溫液態(tài)金屬是一大類物理化學(xué)行為十分獨特的新興功能物質(zhì)，然而其諸多屬性和用途卻長期鮮為人知。

    劉靜率團隊跟液態(tài)金屬打了十多年交道，率先揭開了液態(tài)金屬諸多全新的科學(xué)現(xiàn)象、基礎(chǔ)效應(yīng)和變革性應(yīng)用途徑，在廣泛應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全面突破，相關(guān)成果被認為是人類利用金屬的第二次革命。

    “雀躍”的液態(tài)金屬

    鎵基液態(tài)合金可在“吞食”少量物質(zhì)后，以可變形機器形態(tài)長時間高速運動，實現(xiàn)無需外部電力的自主運動。劉靜團隊在世界上首次發(fā)現(xiàn)了這種異常獨特的現(xiàn)象和機制。

    “我們的發(fā)現(xiàn)將為可變形液態(tài)金屬機器人的研制開辟新通道。”劉靜告訴《中國科學(xué)報》記者，“比如，研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬柔性智能機器人。”

    劉靜將團隊的發(fā)現(xiàn)命名為“液態(tài)金屬軟體動物”。它們一系列非同尋常的習(xí)性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料）、能自主運動、可變形、具備一定代謝功能（化學(xué)反應(yīng)）。

    團隊發(fā)現(xiàn)的自驅(qū)動液態(tài)金屬機器引申出了全新的可變形機器概念，劉靜認為這將顯著提速高級柔性智能機器與高仿生機器人的研制進程，同時對于發(fā)展超越傳統(tǒng)的柔性電源和機械動力系統(tǒng)也極具價值。

    因此，劉靜團隊的此項研究入選“2015兩院院士評選中國十大科技進展新聞”，劉靜本人也入選“CCTV科技盛典2015十大創(chuàng)新人物”。

    今年早些時候，劉靜團隊還首次報道了一類有趣的液態(tài)金屬褶皺波效應(yīng)：浸沒于環(huán)狀石墨電極之間電解液中的液態(tài)金屬，可在電磁場誘導(dǎo)下形成各式各樣對稱的褶皺波圖案。

    因為外加電場改變了液態(tài)金屬表面的電荷分布，繼而形成表面張力梯度，由此導(dǎo)致的電毛細力會使得液態(tài)金屬發(fā)生對稱形變。劉靜向記者進一步解釋了該原理，結(jié)合表面張力以及石墨電極與永磁體作用，液態(tài)金屬可因洛倫茲力發(fā)生旋轉(zhuǎn)繼而失蹤，由此形成更為豐富的流體形態(tài)。

    劉靜希望能夠窮盡一生的努力去發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬更多有趣的現(xiàn)象，并揭示其原理和機制，最終可將液態(tài)金屬應(yīng)用于各行各業(yè)。

    夢之墨的誕生

    眾所周知，金屬3D打印是當今增材制造領(lǐng)域的難點和制高點，由于受技術(shù)瓶頸及成本限制，現(xiàn)有裝備一般限于工業(yè)級應(yīng)用，尚無法實現(xiàn)大眾化和普及化。劉靜團隊不僅首次提出室溫3D金屬打印、液相打印以及機電一體化復(fù)合打印技術(shù)，還研發(fā)出商用設(shè)備。

    劉靜團隊提出了一系列快速制造電子電路及功能器件的學(xué)術(shù)思想、技術(shù)發(fā)明以及旨在發(fā)現(xiàn)新型電子墨水的液態(tài)金屬材料基因組策略，被認為有望改變傳統(tǒng)電子及集成電路制造規(guī)則。

    這里的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)顛覆了傳統(tǒng)電子工程學(xué)的制造理念，其“所見即所得”的電子直寫模式為發(fā)展普惠型電子制造技術(shù)、重塑個性化電子提供了變革性途徑，且快速、綠色、低成本。

    經(jīng)過刻苦攻關(guān)，劉靜團隊研發(fā)出世界首臺液態(tài)金屬桌面電子電路打印機，該液態(tài)金屬打印機解決了金屬墨水表面張力高難以通過常規(guī)方法平穩(wěn)驅(qū)動的難題。

    在此基礎(chǔ)上，團隊還首次提出并證實了可在任意固體表面和材質(zhì)上直接制造電子電路的打印技術(shù)，研制出具有普適意義的液態(tài)金屬噴墨打印機，從而使得“樹葉也可變身電路板”。

    這項電子電路打印技術(shù)被業(yè)界評論認為“圍繞在不同表面打印電路的競賽可以終結(jié)了”，同時也打破了個人電子制造技術(shù)的瓶頸和壁壘，使得在低成本下快速、隨意制作電子電路特別是柔性電子器件成為現(xiàn)實，預(yù)示著電子制造正逐步走向平民化。

    劉靜指出：“我們的液態(tài)金屬3D打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)3D打印主要限于聚合物或高熔點金屬的格局。”在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的巨大需求下，劉靜開始嘗試將實驗室里的技術(shù)推向市場。

    2014年年末，劉靜在中關(guān)村創(chuàng)設(shè)了北京夢之墨科技有限公司（以下簡稱夢之墨）。2015年，世界首座液態(tài)金屬科技館在云南宣威拔地而起，世界首條液態(tài)金屬電子手寫筆生產(chǎn)線和電子油墨生產(chǎn)線也在當?shù)亟ǔ伞?/span>

    未來應(yīng)用的展望

    未來，液態(tài)金屬還有很多可以大展拳腳的領(lǐng)域，比如在醫(yī)療健康領(lǐng)域，獨特的液態(tài)金屬材料將帶來觀念性變革。

    針對若干世界性重大醫(yī)學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)，劉靜團隊構(gòu)建了液態(tài)金屬生物材料學(xué)全新領(lǐng)域，他介紹說：“我們的研究涉及神經(jīng)連接、血管造影、腫瘤治療、骨骼修復(fù)、注射電子、皮膚電子等核心問題，這些方法顛覆了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)科學(xué)理念，突破了已有技術(shù)的瓶頸，將為全新醫(yī)療技術(shù)體系的創(chuàng)建帶來新曙光。”

    比如，劉靜團隊研發(fā)了一種全新原理的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，通過迅速建立損傷神經(jīng)之間的信號通路及生長空間，可大幅提高神經(jīng)再生能力并顯著降低肌肉功能喪失的風(fēng)險。

    與此同時，由于液態(tài)金屬在X射線下具有很強的顯影性，因而在完成神經(jīng)修復(fù)之后很容易通過注射器取出體外，可避免復(fù)雜的二次手術(shù)。這一方法為神經(jīng)連接與修復(fù)這一世界性醫(yī)學(xué)難題的解決開辟了全新方向，被認為是“令人震驚的醫(yī)學(xué)突破”。

    談及應(yīng)用，劉靜深感欣慰，這么多年來，在他的實驗室里誕生了“第一張灌注液態(tài)金屬的心臟圖像”“液態(tài)金屬人體外骨骼技術(shù)”“一個化學(xué)常識引發(fā)的顛覆性腫瘤治療方法”“世界首個液態(tài)金屬機器人”……

    他由衷地感慨道：“一個人的時間和精力太有限了，我希望能潛心科研，掌握更多液態(tài)金屬的特質(zhì)，至于產(chǎn)業(yè)化的推廣我和團隊歡迎能有更多專業(yè)人士加入，大家共同推動液態(tài)金屬在各技術(shù)領(lǐng)域帶來顛覆性變革。”

    延伸閱讀

    “液態(tài)金屬”，指的是一種不定型金屬，液態(tài)金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態(tài)金屬成形過程及控制，液態(tài)金屬充型過程的水力學(xué)特性及流動情況充型過程對鑄件質(zhì)量的影響很大可能造成的各種缺陷，如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷，都是在液態(tài)金屬充型不利的情況下產(chǎn)生的。正確地設(shè)計澆注系統(tǒng)使液態(tài)金屬平穩(wěn)而又合理地充滿型腔，對保證鑄件質(zhì)量起著很重要的作用。

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責(zé)任編輯：王元

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