{首页主词},&

<menu id="c2unv"><rp id="c2unv"></rp></menu>

走近前沿新材料I：常溫液態(tài)金屬——自然界精靈般的材料

2021-12-20 16:47:28 作者：劉靜來(lái)源：今日新材料分享至：

一、常溫液態(tài)金屬：一度藏在深山無(wú)人知

液態(tài)金屬，顧名思義，通常指在室溫附近或更高一些常溫下呈液態(tài)的金屬，也稱低熔點(diǎn)金屬。在自然界，有一類奇妙的金屬很早即為人所熟知，這就是水銀，俗稱汞，但其在使用中卻存在安全隱患，這是液態(tài)金屬留給世人的常規(guī)印象。然而，近年來(lái)引發(fā)業(yè)界巨大興趣和廣泛關(guān)注的卻非水銀這樣的金屬，更多是指那些如鎵基、鉍基金屬或其合金乃至更多衍生金屬材料。這些金屬在常溫下是液體，可以像水一樣自由流動(dòng)（圖1），但卻擁有金屬的特性，當(dāng)溫度降低時(shí)，它們易于從液態(tài)轉(zhuǎn)成固態(tài)，從而展現(xiàn)出更為典型的金屬特性。此類材料因安全無(wú)毒，性能卓越，正成為異軍突起的革命性材料。至于像汞、銫、鈉鉀合金等，雖在常溫下也處于液態(tài)，但因毒性、放射性及危險(xiǎn)性等因素，在應(yīng)用上受到很大限制。與低熔點(diǎn)金屬形成對(duì)比的是，高溫如數(shù)百度以上才變成液態(tài)的金屬或其合金，則稱為高熔點(diǎn)金屬，系經(jīng)典冶金材料內(nèi)容，一百多年來(lái)已被廣泛研究。與此不同的是，常溫液態(tài)金屬在世界范圍內(nèi)則相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界嚴(yán)重忽略了。可喜的是，近年來(lái)一系列顛覆性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破的取得，使得常溫液態(tài)金屬諸多科學(xué)現(xiàn)象、基本效應(yīng)和重大用途逐步得到認(rèn)識(shí)[1]，該領(lǐng)域得以從最初的鮮為人知，到發(fā)展成今天備受矚目的態(tài)勢(shì)。

圖1 鎵基液態(tài)金屬液滴（左）及其外覆水膜（右）時(shí)撞擊鋼板基底的動(dòng)態(tài)情形

從應(yīng)用層面看，液態(tài)金屬如鎵基合金等，因在常溫下可流動(dòng)，導(dǎo)電性強(qiáng)，熱學(xué)性能優(yōu)異，易于實(shí)現(xiàn)固液轉(zhuǎn)換，且沸點(diǎn)在高達(dá)2000°C溫度時(shí)仍處于液相，不會(huì)像水那樣發(fā)生沸騰乃至爆炸，可以說(shuō)僅用單項(xiàng)材料就將諸多尖端功能材料的優(yōu)勢(shì)集于一體，由此打破了許多領(lǐng)域傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用瓶頸，也因此開(kāi)啟了極為廣闊的應(yīng)用空間[2]。比如，液態(tài)金屬在常溫下導(dǎo)熱和吸納熱量的能力均遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的甲醇、水等導(dǎo)熱劑，是新一代散熱器的理想傳熱介質(zhì)；液態(tài)金屬固化后具有與常規(guī)金屬一樣堅(jiān)硬而柔韌的特性，易于成型制造，工業(yè)用途十分廣泛；而若將液態(tài)金屬引入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，則會(huì)帶來(lái)疾病診斷與治療模式天翻地覆的變革；此外，液態(tài)金屬同時(shí)擁有的流動(dòng)性和導(dǎo)電優(yōu)勢(shì)，為電子制造提供了前所未有的便捷性，由此促成了液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的興起；當(dāng)然，同樣讓人饒有興味的是，一系列科學(xué)試驗(yàn)揭示，液態(tài)金屬就好比美國(guó)好萊塢科幻影片《終結(jié)者》中展示的神奇金屬物質(zhì)那樣，可用以構(gòu)筑未來(lái)全新一代的可變形柔性智能機(jī)器人。總之，由于液態(tài)金屬展現(xiàn)出的諸多優(yōu)勢(shì)和重大應(yīng)用價(jià)值，業(yè)界普遍將液態(tài)金屬近年來(lái)取得的成果贊譽(yù)為“人類利用金屬的第二次革命”。本文扼要介紹液態(tài)金屬的若干典型特性和有趣應(yīng)用。

二、液態(tài)金屬豐富神奇的物質(zhì)屬性開(kāi)啟科學(xué)發(fā)現(xiàn)之門

液態(tài)金屬自身蘊(yùn)藏著極為豐富有趣的物質(zhì)屬性，由此引發(fā)的大量發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)于傳統(tǒng)物質(zhì)的理解，有關(guān)認(rèn)識(shí)反過(guò)來(lái)又促成若干全新技術(shù)的創(chuàng)建。迄今，基于對(duì)液態(tài)金屬電、磁、熱、流體、機(jī)械及化學(xué)等特性的研究，學(xué)術(shù)界在電子信息、芯片冷卻、能源、先進(jìn)制造、生命健康以及柔性智能機(jī)器等領(lǐng)域取得對(duì)應(yīng)突破，不少進(jìn)展在世界范圍內(nèi)得到了廣泛重視和認(rèn)同。無(wú)疑，對(duì)液態(tài)金屬物質(zhì)規(guī)律的充分理解，是創(chuàng)造未來(lái)各種應(yīng)用的基礎(chǔ)保障。

從如下介紹的基礎(chǔ)現(xiàn)象中[1]，讀者可初步領(lǐng)略液態(tài)金屬這一精靈般物質(zhì)的有趣屬性。

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，處于溶液中的液態(tài)金屬，可在電場(chǎng)控制下于不同形態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，呈現(xiàn)出如大尺度變形、自旋、定向運(yùn)動(dòng)、融合與分離、射流、逆重力爬行、褶皺波效應(yīng)等行為，這些異常獨(dú)特的現(xiàn)象改變了人們對(duì)于傳統(tǒng)材料學(xué)、復(fù)雜流體、軟物質(zhì)以及剛體機(jī)器的固有認(rèn)識(shí)，為變革傳統(tǒng)機(jī)器乃至研制未來(lái)全新概念的高級(jí)柔性智能機(jī)器奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)，相應(yīng)工作引發(fā)世界范圍內(nèi)的反響和熱議，被認(rèn)為是觀念性突破和重大發(fā)現(xiàn)，“預(yù)示著柔性機(jī)器人新時(shí)代”。

更為神奇的是，處于溶液中時(shí)，液態(tài)金屬可在“吞食”其它金屬如鋁后以可變形機(jī)器形態(tài)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)，這為研制智能馬達(dá)、血管機(jī)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)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，也為制造人工生命打開(kāi)了全新視野，對(duì)于發(fā)展超越傳統(tǒng)的柔性電源和動(dòng)力系統(tǒng)也較具價(jià)值。若采用注射方式，還可快速規(guī)模化制造出液態(tài)金屬微型馬達(dá)，其呈宏觀布朗運(yùn)動(dòng)形式，受電場(chǎng)作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈加速效應(yīng)；而外界磁場(chǎng)對(duì)液態(tài)金屬馬達(dá)則起到磁陷阱效應(yīng)作用；液態(tài)金屬馬達(dá)之間會(huì)表現(xiàn)出極為豐富的碰撞、吸引、融合、反彈等行為。

進(jìn)一步地，人們不禁要問(wèn)，若液態(tài)金屬中引入固體單元后，行為又將如何呢？答案同樣令人稱奇。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)處理后的銅絲觸及處于溶液中的含鋁液態(tài)金屬時(shí)，會(huì)被其迅速吞入其中并在液態(tài)金屬基座上作長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，體現(xiàn)出自激振蕩效應(yīng)，其振蕩頻率和幅度可通過(guò)不銹鋼絲觸碰液態(tài)金屬來(lái)加以靈活調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的界面科學(xué)知識(shí)，也為柔性復(fù)合機(jī)器的研制打開(kāi)了新思路，還可用作流體、電學(xué)、機(jī)械、光學(xué)系統(tǒng)的控制開(kāi)關(guān)。其它一些有趣的固液組合機(jī)器效應(yīng)還包括，金屬顆粒觸發(fā)型液態(tài)金屬跳躍現(xiàn)象，以及可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)起停、轉(zhuǎn)向和加速的磁性固液組合機(jī)器；而采用電控可變形旋轉(zhuǎn)的“液態(tài)金屬車輪”，還可驅(qū)動(dòng)3D打印的微型車輛，實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、加速及更多復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，可謂“小機(jī)器，大乾坤”。

以上液態(tài)金屬展示出的豐富物質(zhì)屬性，彰顯了這一新興領(lǐng)域的科學(xué)魅力。而液態(tài)金屬在大量應(yīng)用領(lǐng)域的引入，更是打破了不少傳統(tǒng)技術(shù)面臨的關(guān)鍵瓶頸，促成了全新技術(shù)的創(chuàng)建。

三、液態(tài)金屬優(yōu)異的冷卻特性可為尖端芯片應(yīng)用保駕護(hù)航

眾所周知，在芯片應(yīng)用領(lǐng)域，高集成度高功率密度芯片運(yùn)行時(shí)常常伴隨有極端的發(fā)熱問(wèn)題[3]，學(xué)術(shù)界稱之為“熱障”，長(zhǎng)期以來(lái)被公認(rèn)為世界性難題。本世紀(jì)初，中國(guó)實(shí)驗(yàn)室首次提出了具有領(lǐng)域突破性意義的液態(tài)金屬芯片冷卻方法，由此開(kāi)啟了顛覆傳統(tǒng)的散熱解決途徑，成果被譽(yù)為第四代先進(jìn)熱管理技術(shù)乃至終極冷卻方法。作為高熱導(dǎo)率流動(dòng)工質(zhì)，液態(tài)金屬熱導(dǎo)率為水的60倍左右，且從室溫至2000°C均能保持液相，這使其擁有優(yōu)異的換熱能力。這種全新一代超高熱流密度熱管理技術(shù)（圖2），在技術(shù)理念上打破了傳統(tǒng)模式。此前，工業(yè)界數(shù)十年來(lái)主要沿用空冷、水冷及熱管散熱，但技術(shù)趨于瓶頸。

圖2用于芯片冷卻的四代典型冷卻技術(shù)

基于液態(tài)金屬卓越的冷卻特性，學(xué)術(shù)界發(fā)展出一系列變革性散熱技術(shù)和裝備，在超大功率或高熱流密度電子芯片、光電器件以及國(guó)防安全領(lǐng)域的極端散熱上（如激光、微波、雷達(dá)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、預(yù)警系統(tǒng)、航空航天等）已顯示關(guān)鍵價(jià)值，相應(yīng)技術(shù)還被拓展到消費(fèi)電子、廢熱發(fā)電、能量捕獲與儲(chǔ)存、智能電網(wǎng)、低成本制氫、光伏發(fā)電、高性能電池及熱電轉(zhuǎn)換等廣闊領(lǐng)域。2010-2011前后，中國(guó)研究小組的工作入選美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)會(huì)刊《電子封裝學(xué)報(bào)》年度唯一最佳論文獎(jiǎng)，液態(tài)金屬先進(jìn)冷卻漸入業(yè)界視野。無(wú)獨(dú)有偶的是，由于液態(tài)金屬冷卻技術(shù)顯著的科學(xué)前瞻性和變革性，美國(guó)國(guó)家宇航局于2014年將其列為面向未來(lái)的前沿技術(shù)。

四、液態(tài)金屬電子墨水的出現(xiàn)催生個(gè)性化電子制造技術(shù)

電子器件是現(xiàn)代文明的基石，代表一個(gè)國(guó)家的制造水平。眾所周知，傳統(tǒng)的電子制造工藝繁多，涉及從基底材料制備，到形成互連所需的薄膜沉積、刻蝕、封裝等環(huán)節(jié)，需消耗大量原料、水、氣及能源。為改變這一現(xiàn)狀，中國(guó)團(tuán)隊(duì)首次提出了不同于傳統(tǒng)的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)思想[4]，其墨水為液態(tài)金屬，通過(guò)印刷方式在各種柔性或剛性基材上直接制造出目標(biāo)電路、元器件、集成電路乃至終端功能器件（圖3），這一突破被認(rèn)為有望改變傳統(tǒng)電子及集成電路制造規(guī)則，業(yè)界對(duì)此作出評(píng)論：“找到室溫下直接制造電子的方法，就意味著打開(kāi)了極為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域乃至通過(guò)家用打印機(jī)制造電子器件的大門”。當(dāng)前，液態(tài)金屬柔性電子制造技術(shù)已發(fā)展到超快水平，利用被命名為智慧印刷的技術(shù)和裝備，在數(shù)秒內(nèi)即可打印出A4紙大小的高精度復(fù)雜電路，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)迄今已發(fā)展的各類先進(jìn)電子加工技術(shù)。總的說(shuō)來(lái)，液態(tài)金屬印刷這種所見(jiàn)即所得的電子直寫模式，打破了個(gè)人電子制造技術(shù)的瓶頸和壁壘，使得在低成本下快速、隨意地制作電子電路特別是柔性電子器件成為現(xiàn)實(shí)，標(biāo)志著電子制造正逐步走向平民化。未來(lái)，人類社會(huì)將會(huì)迎來(lái)一個(gè)全新的個(gè)性化電子制造時(shí)代。

圖3基于液態(tài)金屬打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)電圖案與功能應(yīng)用電子

在核心裝備發(fā)展方面，我國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出世界首臺(tái)液態(tài)金屬桌面電子電路打印機(jī)，成果入圍“2014兩院院士評(píng)選中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”，2015年入圍素有全球科技創(chuàng)新奧斯卡之稱的R&D100 Award Finalist，2016年入選美國(guó)《PopularScience》中文版評(píng)選的2016年度全球100項(xiàng)最佳科技創(chuàng)新獎(jiǎng)，榮獲2015年中國(guó)國(guó)際高新技術(shù)成果交易會(huì)“優(yōu)秀產(chǎn)品獎(jiǎng)”等。此外，通過(guò)揭示金屬流體與不同基底間潤(rùn)濕特性的調(diào)控機(jī)制，中國(guó)團(tuán)隊(duì)還首次提出并證實(shí)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)，并研制出了具有普適意義的液態(tài)金屬噴墨打印機(jī)，從而使得“樹(shù)葉也可變身電路板”，美國(guó)麻省理工《技術(shù)評(píng)論》專門就此撰寫專題文章指出：“該技術(shù)如此快捷，沒(méi)有理由懷疑其將很快進(jìn)入市場(chǎng)”；業(yè)界對(duì)此作出的結(jié)論是，“圍繞在不同表面打印電路的競(jìng)賽可以結(jié)束了”。

值得指出的是，美國(guó)國(guó)防部在2015年9月啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“混合柔性電子”的龐大研發(fā)計(jì)劃，并為此投入資金高達(dá)1.7億美金。作為代表團(tuán)隊(duì)之一，其空軍研發(fā)機(jī)構(gòu)還展示了采用鎵銦錫合金制成的柔性天線。與之相比，我國(guó)實(shí)驗(yàn)室的工作則超前了許多，且較早實(shí)現(xiàn)了在商品化方面的成功應(yīng)用，推動(dòng)了新興工業(yè)的發(fā)展。

在二維制造之外，中國(guó)團(tuán)隊(duì)同樣于全球率先提出并證實(shí)了系列液態(tài)金屬3D打印的基礎(chǔ)技術(shù)思想[5]，并研制出相應(yīng)裝備。特別是，針對(duì)傳統(tǒng)3D打印難以兼顧金屬及普通墨水在熔點(diǎn)上的巨大差異，因而難以實(shí)現(xiàn)耦合打印并組裝的不足，他們還探索了不同功能材料的相容性和可同時(shí)打印性，由此發(fā)展出旨在直接制造終端功能器件的3D機(jī)電混合打印技術(shù)，證實(shí)了采用低熔點(diǎn)金屬墨水（用作制造電子部件）和非金屬墨水（用作制造支撐或絕緣封裝基底以及半導(dǎo)體功能單元）交替打印和組裝功能器件的可行性。上述工作開(kāi)啟了一條混合打印的新方向，讓終端功能器件的全程自動(dòng)制造與組裝成為可能。

當(dāng)前，全球在液態(tài)金屬增材制造領(lǐng)域的研究已然風(fēng)生水起，展示出一個(gè)極具活力和發(fā)展前景的新興科技前沿。以低熔點(diǎn)液態(tài)金屬為基礎(chǔ)墨水的打印技術(shù)，突破了傳統(tǒng)金屬材料的形態(tài)和高溫限制，實(shí)現(xiàn)了常溫下功能器件的完整制造，有助于發(fā)揮打印方式在智能生產(chǎn)和靈巧制造領(lǐng)域的作用，繼而促成生產(chǎn)方式的變革。在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的巨大需求下，這些適用于各種維度和物質(zhì)表面的變革性電子器件快速制造技術(shù)，將為千千萬(wàn)萬(wàn)的創(chuàng)客提供頗具個(gè)性化的制造工具和手段。

五、液態(tài)金屬獨(dú)到屬性打破傳統(tǒng)生物醫(yī)療模式

“天生我材必有用”，液態(tài)金屬無(wú)疑也是優(yōu)異的生物材料。在生物醫(yī)學(xué)與健康技術(shù)領(lǐng)域，獨(dú)特的液態(tài)金屬同樣為此帶來(lái)重大變革，促成了一個(gè)全新的生物材料學(xué)領(lǐng)域乃至醫(yī)療技術(shù)體系的創(chuàng)建[6]。如下僅舉數(shù)例。

（1）液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)

眾所周知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遍布于人體全身，因而神經(jīng)損傷與斷裂在醫(yī)學(xué)上極為普遍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有多達(dá)100種以上的因素均可造成神經(jīng)破損。生理學(xué)上，神經(jīng)再生是一個(gè)極為緩慢的過(guò)程，有時(shí)甚至需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間才能恢復(fù)切斷神經(jīng)末梢的互連。因此，盡管神經(jīng)損傷一定程度上可通過(guò)某種手術(shù)或物理方式加以治療，然而神經(jīng)纖維一旦被徹底切斷或破壞，唯一的希望只能是將這些分隔的末梢盡快連通。這是因?yàn)椋窠?jīng)信號(hào)一旦持續(xù)中斷，患者對(duì)應(yīng)的肌肉功能即會(huì)隨之減退、萎縮，直至造成永久性的功能缺失乃至截癱。當(dāng)前，治療周圍神經(jīng)損傷的“金標(biāo)準(zhǔn)”在于自體神經(jīng)移植，但卻受到供區(qū)神經(jīng)來(lái)源不足、供區(qū)神經(jīng)功能喪失，以及供區(qū)神經(jīng)結(jié)構(gòu)和尺寸不匹配等限制。因此，尋找合適的神經(jīng)移植替代物長(zhǎng)期以來(lái)成為神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域中的重大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，顯微外科和納米材料學(xué)的發(fā)展為斷裂神經(jīng)修復(fù)帶來(lái)了新希望，但仍受到諸如導(dǎo)通能力不足，神經(jīng)功能恢復(fù)不暢等制約。

迄今，臨床醫(yī)學(xué)上逐步得到廣泛認(rèn)同的是，如能將恢復(fù)期的肌肉神經(jīng)信號(hào)持續(xù)高效地傳達(dá)至目標(biāo)，則將大大加速神經(jīng)的修復(fù)過(guò)程并促成其保持原有功能。而神經(jīng)功能主要是通過(guò)電信號(hào)的傳輸和響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。正是出于這一考慮，中國(guó)學(xué)者首次提出了具有突破性意義的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，旨在迅速建立切斷神經(jīng)之間的信號(hào)通路及生長(zhǎng)空間，從而提高神經(jīng)再生效率并降低肌肉功能喪失的風(fēng)險(xiǎn)，其先期性各類動(dòng)物離體和在體實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了以液態(tài)金屬作為高傳導(dǎo)性神經(jīng)信號(hào)通路的可行性。通過(guò)建立牛蛙腓腸肌模型，采用液態(tài)金屬連接剪斷的神經(jīng)組織，借助微弱電刺激試驗(yàn)探明了液態(tài)金屬神經(jīng)傳導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，由于液態(tài)金屬在X射線下具有很強(qiáng)的顯影性，因而在完成神經(jīng)修復(fù)之后很容易通過(guò)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(kāi)辟了全新方向，相應(yīng)工作迅速被國(guó)際上諸多科學(xué)新聞雜志和專業(yè)媒介如麻省理工技術(shù)評(píng)論、新科學(xué)家、今日物理、新聞周刊、每日郵報(bào)、發(fā)現(xiàn)、極客、福克斯新聞等專題報(bào)道和評(píng)介，被認(rèn)為是“令人震驚的醫(yī)學(xué)突破”。甚至，借助神經(jīng)調(diào)控，試驗(yàn)已證實(shí)可使業(yè)已死亡的動(dòng)物也能如同活體般運(yùn)動(dòng)起來(lái)。相應(yīng)努力展示了新技術(shù)的發(fā)展前景，可望催生出機(jī)器與人體復(fù)合的腦機(jī)借口技術(shù)。

（2）可實(shí)現(xiàn)高清晰血管網(wǎng)絡(luò)成像的液態(tài)金屬造影術(shù)

醫(yī)學(xué)上，血管網(wǎng)絡(luò)作為遍布全身的血液循環(huán)通道，其尺寸大小、空間分布及走向等對(duì)機(jī)體代謝、營(yíng)養(yǎng)和藥物的輸運(yùn)至關(guān)重要，同時(shí)血管自身也面臨著諸多病變威脅，無(wú)論在健康檢測(cè)還是疾病診治中，細(xì)微血管的異常生長(zhǎng)與變化均是衡量病理狀況與疾病發(fā)生發(fā)展的重要指標(biāo)。為此，獲取高質(zhì)量的血管圖像具有十分重要的醫(yī)學(xué)生理學(xué)意義。

針對(duì)這一關(guān)鍵需求，中國(guó)實(shí)驗(yàn)室提出并成功證實(shí)了有別于傳統(tǒng)的液態(tài)金屬血管造影方法的高效性。研究表明，以鎵為代表的一系列合金材料在室溫下呈液態(tài)，可在不破壞組織結(jié)構(gòu)的情況下灌注到血管網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)其自身?yè)碛械母呙芏葧?huì)對(duì)X射線造成很強(qiáng)的吸收作用，因而在X光拍攝或CT掃描中，充填有液態(tài)金屬的血管會(huì)與周圍組織形成鮮明對(duì)比，由此達(dá)到優(yōu)異的成像效果，而液態(tài)金屬的流動(dòng)性和順應(yīng)性甚至可以讓極細(xì)微的毛細(xì)血管也能在圖像中以高清晰度的方式顯現(xiàn)出來(lái)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將室溫液態(tài)金屬鎵分別灌注到離體豬的心臟冠狀動(dòng)脈以及腎臟動(dòng)脈中時(shí)，重建出的血管網(wǎng)絡(luò)異常清晰，造影效果遠(yuǎn)優(yōu)于臨床上常用的碘海醇增敏劑，圖像對(duì)比度呈數(shù)量級(jí)提升（圖4），揭示的血管細(xì)節(jié)更加豐富，且造影效果不會(huì)如傳統(tǒng)增敏劑那樣隨時(shí)間逐步衰減。

上述工作在國(guó)際上引起較大反響，業(yè)界紛紛以“第一張灌注液態(tài)金屬的心臟圖像”等為題對(duì)這一工作進(jìn)行了深度報(bào)道，認(rèn)為新技術(shù)提供了“前所未有的細(xì)節(jié)”、“采用相對(duì)簡(jiǎn)潔的方法解決了無(wú)比復(fù)雜的問(wèn)題”、“這一有望顯著提升器官3D成像的工作令人印象深刻”，并指出其進(jìn)一步發(fā)展將可能“革新我們對(duì)于自身的認(rèn)識(shí)”。迄今，這項(xiàng)原理獨(dú)特的血管成像方法為國(guó)內(nèi)外廣泛討論，相應(yīng)技術(shù)為生理學(xué)、病理學(xué)研究提供了一種軟成像工具，對(duì)于探索有關(guān)動(dòng)物器官的復(fù)雜血管微細(xì)結(jié)構(gòu)尤有價(jià)值，比如研究腫瘤血管的生長(zhǎng)規(guī)律，以非破壞方式快速重建虛擬人或動(dòng)物的血管網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等。值得一提的是，這一基礎(chǔ)方法也并不僅限于血管成像，同樣的原理在其他科學(xué)或工程學(xué)中涉及到的微/納米管道三維重建過(guò)程中也有較好的應(yīng)用前景，在影像儀器分辨率足夠的前提下，可以獲得較高的成像精度，甚至達(dá)到納米量級(jí)。

值得一提的是，在以上研究的基礎(chǔ)上，學(xué)術(shù)界還進(jìn)一步提出嶄新概念的液態(tài)金屬栓塞劑，借助液態(tài)金屬優(yōu)良的充填性，可建立起用以阻塞血管營(yíng)養(yǎng)輸運(yùn)進(jìn)而誘發(fā)病灶凋亡的腫瘤診療一體化技術(shù)，整個(gè)過(guò)程在影像設(shè)備引導(dǎo)下以血管微穿刺方式進(jìn)行。形象的說(shuō)，這是一種旨在餓死目標(biāo)腫瘤的醫(yī)學(xué)新途徑，值得進(jìn)一步探索。

圖4 液態(tài)金屬高分辨血管造影術(shù)。鎵造影劑（A）與傳統(tǒng)碘海醇造影劑（B）的豬心臟冠狀動(dòng)脈毛細(xì)管成像情況對(duì)比及灰度差（C）。

（3）層出不窮、腦洞大開(kāi)的液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)技術(shù)正紛至沓來(lái)

為快速修復(fù)受損骨骼，中國(guó)團(tuán)隊(duì)基于液態(tài)金屬的流體規(guī)律和液固相變特性，提出了注射金屬骨骼的理念和技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高度微創(chuàng)的原位重建骨骼；同時(shí)，從液態(tài)金屬易于實(shí)現(xiàn)固液轉(zhuǎn)化的角度，還可構(gòu)建剛?cè)嵯酀?jì)的液態(tài)金屬外骨骼技術(shù)。而從液態(tài)金屬電學(xué)特性出發(fā)，中國(guó)學(xué)者則提出了注射電子學(xué)思想及植入式醫(yī)療器械在體3D打印技術(shù)。這些有如科幻電影中那樣的金剛狼技術(shù)，正在成為現(xiàn)實(shí)中可望出現(xiàn)的應(yīng)用。

此外，通過(guò)解決黏附性問(wèn)題，學(xué)術(shù)界相應(yīng)發(fā)展了液態(tài)金屬皮膚電子技術(shù)。皮膚電子學(xué)是正在興起的柔性電子應(yīng)用領(lǐng)域，但已有方法通常無(wú)法直接在皮膚上制作電子器件。通過(guò)液態(tài)金屬模板噴印技術(shù)，可在皮膚上快速構(gòu)建用以檢測(cè)生理信號(hào)的元件；該技術(shù)已被證實(shí)可用于皮膚黑色素瘤的低頻低壓電學(xué)治療。特殊設(shè)計(jì)的液態(tài)金屬皮膚涂層還可結(jié)合更多外場(chǎng)如近紅外激光，實(shí)現(xiàn)皮膚腫瘤的高效消融治療。

需要指出的是，一些液態(tài)金屬具有強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)活性，此類特性同樣也可充分加以利用。比如，近年來(lái)出現(xiàn)的一種非傳統(tǒng)型堿金屬流體腫瘤消融治療技術(shù)，其原理正是利用堿金屬流體制劑與水接觸時(shí)發(fā)生的強(qiáng)烈放熱反應(yīng)實(shí)現(xiàn)腫瘤高溫消融治療，該方法可確保高強(qiáng)度熱量只在目標(biāo)部位釋放。這種類似于傳統(tǒng)打針吃藥的醫(yī)學(xué)模式，使得腫瘤高溫?zé)峄瘜W(xué)消融治療真正實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)，業(yè)界為此將其譽(yù)為“一個(gè)化學(xué)常識(shí)引發(fā)的顛覆性腫瘤治療方法”。

六、液態(tài)金屬的材料多能性促成《終結(jié)者》可變形機(jī)器人的研制

長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)現(xiàn)可在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的可變形柔性智能機(jī)器，以執(zhí)行常規(guī)技術(shù)難以完成的更為特殊高級(jí)的任務(wù)，一直是全球科學(xué)界與工程界的重大挑戰(zhàn)，相應(yīng)研究在軍事、民用、醫(yī)療與科學(xué)探索中極具重大理論意義和應(yīng)用前景。比如，在抗震救災(zāi)或軍事行動(dòng)中，此類機(jī)器人應(yīng)能根據(jù)需要適時(shí)變形，以穿過(guò)狹小的通道、門縫乃至散布于建筑物中的空隙，之后再重新恢復(fù)原形并繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。事實(shí)上，在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，研制可沿血管包括人體腔道自由運(yùn)動(dòng)，以承擔(dān)各種在體醫(yī)學(xué)服務(wù)的柔性機(jī)器人，早已成為非常現(xiàn)實(shí)的科學(xué)目標(biāo)。顯然，在最為高級(jí)的機(jī)器人中，具備可變形性和柔性特征是極為關(guān)鍵的一環(huán)。美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究署、軍隊(duì)研究辦公署等就曾為此啟動(dòng)了有關(guān)項(xiàng)目，旨在尋找可改變材料形狀的技術(shù)，以構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)藍(lán)圖。業(yè)界普遍認(rèn)為，一旦這樣的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，其對(duì)人類活動(dòng)所作出的貢獻(xiàn)，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的機(jī)器人。不過(guò)，由于受到來(lái)自材料特別是技術(shù)理念的限制，有關(guān)研究尚處于積極的推進(jìn)之中。

近年來(lái)，中國(guó)團(tuán)隊(duì)從全新途徑出發(fā)，開(kāi)創(chuàng)性提出了突破傳統(tǒng)技術(shù)理念的液態(tài)金屬軟體機(jī)器人思想[7]，從材料、器件到系統(tǒng)等方面逐步構(gòu)建出相應(yīng)的理論與技術(shù)體系。比如，若采用空間架構(gòu)的電極控制，可望將各種智能液體金屬單元擴(kuò)展到三維，以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機(jī)器（圖5）；甚至，在外太空探索中的微重力或無(wú)重力環(huán)境下，也可發(fā)展對(duì)應(yīng)的機(jī)器來(lái)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。由于顯著的科學(xué)突破性，有關(guān)發(fā)現(xiàn)引發(fā)全球范圍持續(xù)廣泛反響，被認(rèn)為預(yù)示著軟體機(jī)器人的新時(shí)代，液態(tài)金屬機(jī)器人被列為國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ氖蠓较蛑弧Ｆ瘢瑱C(jī)器人大多仍以一種剛體機(jī)器的形式發(fā)揮作用，這與自然界中人或動(dòng)物有著平滑柔軟的外表以及無(wú)縫連接方式完全不同。液態(tài)金屬機(jī)器的問(wèn)世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器人的研制進(jìn)程。

圖5 構(gòu)想中的液態(tài)金屬機(jī)器人以及各種已趨現(xiàn)實(shí)的液態(tài)金屬傳感器

值得一提的是，在液態(tài)金屬機(jī)器人發(fā)展道路上，最令人震驚的莫過(guò)于自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，此項(xiàng)工作首次揭示出自然界一種異常獨(dú)特的現(xiàn)象和機(jī)制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機(jī)器形態(tài)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)，這為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)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)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過(guò)“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一小片鋁即可驅(qū)動(dòng)直徑約5 mm的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1個(gè)多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，速度高達(dá)5cm/s。這種柔性機(jī)器既可在自由空間運(yùn)動(dòng)，又能于各種結(jié)構(gòu)槽道中蜿蜒前行；令人驚訝的是，它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調(diào)整，遇到拐彎時(shí)則有所停頓，好似略作思索后繼續(xù)行進(jìn)，整個(gè)過(guò)程像極了科幻電影中的終結(jié)者機(jī)器人現(xiàn)身一般。應(yīng)該說(shuō)，液態(tài)金屬機(jī)器一系列非同尋常的習(xí)性已相當(dāng)接近一些自然界簡(jiǎn)單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運(yùn)動(dòng)，可變形，具備一定代謝功能（化學(xué)反應(yīng)），因此作者們將其命名為液態(tài)金屬軟體動(dòng)物。這一人工機(jī)器的發(fā)明同時(shí)也引申出“如何定義生命”的問(wèn)題。

上述發(fā)現(xiàn)一經(jīng)發(fā)布，短時(shí)間內(nèi)即引發(fā)全球范圍內(nèi)眾多科學(xué)雜志、專業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視和熱烈討論。New Scientist在第一時(shí)間以文章和精心制作的視頻進(jìn)行了報(bào)道，指出“液態(tài)金屬朝可變形機(jī)器人邁進(jìn)一步”，“將成為今后電影中人工生命的種子”；Nature雜志在其研究亮點(diǎn)欄目以“液態(tài)金屬馬達(dá)靠自身運(yùn)動(dòng)”為題進(jìn)行了報(bào)道；Nature Materials則以亮點(diǎn)文章“液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)液滴”對(duì)此進(jìn)行了評(píng)介；Science網(wǎng)站發(fā)布觀察文章和視頻：“可變形金屬馬達(dá)擁有一系列用途”；路透社記者專程到中國(guó)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)地拍攝和采訪。眾多報(bào)道此項(xiàng)工作的科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站故事還有諸如：物理學(xué)家組織網(wǎng)站“可在液體中自行驅(qū)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬”；化學(xué)和工程新聞C&EN“旋轉(zhuǎn)的液態(tài)金屬馬達(dá)”；UncoverCalifornia“世界首個(gè)液態(tài)金屬機(jī)器人”；Siliconrepublic“首個(gè)終結(jié)者型液態(tài)馬達(dá)問(wèn)世，具無(wú)限潛力”；鏡報(bào)mirror：“真實(shí)的終結(jié)者1000液態(tài)金屬馬達(dá)”；PopularScience：“終結(jié)者智能液態(tài)金屬或?yàn)樾乱惠嗆妭涓?jìng)賽的第一步”；Space Daily等：“液態(tài)金屬機(jī)器人幾乎已在這兒，并且他們由中國(guó)制造”；Popular Mechanics：“終結(jié)者1000機(jī)器人或許就由這種自主行走的液態(tài)金屬制成”；更多網(wǎng)站則紛紛展望了這一開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人、藥物遞送、血管和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用前景，認(rèn)為“機(jī)器人工業(yè)正邁向不可思議的突破”，“顯然是巨大的第一步”，“這是許多潛在商業(yè)用途的源泉，對(duì)于世界各國(guó)的工業(yè)界和政府會(huì)有巨大的興趣”。

總的說(shuō)來(lái)，液態(tài)金屬機(jī)器的問(wèn)世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。當(dāng)前，全球圍繞先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)活動(dòng)正處于如火如荼的階段，比如，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)僅在2017年設(shè)立的單項(xiàng)軟體機(jī)器人項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)就高達(dá)2600萬(wàn)美元。不難預(yù)想，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大優(yōu)勢(shì)和潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機(jī)器變革。

七、迎接即將到來(lái)的液態(tài)金屬時(shí)代

總的說(shuō)來(lái)，作為新興的功能物質(zhì)，液態(tài)金屬及其衍生材料種類眾多且在不斷增長(zhǎng)中，它們擁有許多常規(guī)材料不易具備的屬性，蘊(yùn)藏著諸多以往從未被認(rèn)識(shí)的新奇物理化學(xué)特性，這為大量科學(xué)與技術(shù)探索提供了豐饒的研究空間。由于自身顯著的多學(xué)科交叉特點(diǎn)，液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)可以說(shuō)已滲透到幾乎所有自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域，甚至人文學(xué)科、文化創(chuàng)意、科幻影視行業(yè)。隨著液態(tài)金屬各種物質(zhì)特性不斷被認(rèn)識(shí)以及新材料的持續(xù)創(chuàng)制，還將開(kāi)啟更多科學(xué)與應(yīng)用大門，人類將會(huì)迎來(lái)一個(gè)液態(tài)金屬研究與應(yīng)用大爆發(fā)的時(shí)代。

值得一提的是，常溫液態(tài)金屬系中國(guó)在開(kāi)創(chuàng)性基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)突破方面均處于顯著優(yōu)勢(shì)的高新科技領(lǐng)域。種種跡象表明，在持續(xù)取得基礎(chǔ)突破的同時(shí)，一個(gè)發(fā)端于中國(guó)的全新工業(yè)已然崛起。若能充分把握這一領(lǐng)域所賦予的歷史機(jī)遇，我國(guó)可望對(duì)人類物質(zhì)文明的推進(jìn)作出自己應(yīng)有的關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。近期，我們還欣喜的看到，全球范圍內(nèi)眾多實(shí)驗(yàn)室紛紛涌入液態(tài)金屬研究，這可從大量論文在短時(shí)間內(nèi)的井噴式爆發(fā)看出，相信未來(lái)這一領(lǐng)域一定會(huì)精彩頻出。當(dāng)然，也應(yīng)意識(shí)到，與液態(tài)金屬自身巨大的發(fā)展空間相比，國(guó)內(nèi)外前期業(yè)已開(kāi)展的研究和應(yīng)用尚屬有限，僅僅處于早期。整個(gè)液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)創(chuàng)新的大幕才剛剛拉開(kāi)，這一領(lǐng)域蘊(yùn)藏著的無(wú)限可能及無(wú)盡的前沿，呼喚著人類永無(wú)止境的追求和持續(xù)不斷的探索。

總的說(shuō)來(lái)，以物質(zhì)、能量、生物、信息為承載特征的液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)，堪稱催生突破性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)變革的科技航母。“一類材料，一個(gè)時(shí)代”，液態(tài)金屬作為一大類特殊物質(zhì)，已展示出引領(lǐng)和開(kāi)拓未來(lái)科技的特質(zhì)，正為有關(guān)領(lǐng)域的變革創(chuàng)造機(jī)遇。

讓我們以更加積極進(jìn)取的姿態(tài)去迎接液態(tài)金屬時(shí)代的到來(lái)！

參考文獻(xiàn)

1. 劉靜，液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)基礎(chǔ)現(xiàn)象與效應(yīng)，上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

2. 劉靜，楊應(yīng)寶，鄧中山，中國(guó)液態(tài)金屬工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告，昆明：云南科技出版社，2018.

3. 劉靜，微米/納米尺度傳熱學(xué)，北京：科學(xué)出版社， 2001.

4. 劉靜，王倩，液態(tài)金屬印刷電子學(xué)，上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

5. 劉靜，王磊，液態(tài)金屬3D打印技術(shù)：原理及應(yīng)用，上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

6. J. Liu, L. Yi, Liquid Metal Biomaterials:Principles and Applications, Singapore: Springer, 2018.

7. J. Liu, L. Sheng, Z. Z. He, Liquid MetalSoft Machines: Principles and Applications, Singapore: Springer, 2018.

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社

地址：安徽省合肥市金寨路70號(hào)　　郵政編碼：230022

高等教育分社：楊振寧 yangzhn@ustc.edu.cn 0551-63607216

內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的“卡脖子”問(wèn)題，很多就卡在材料方面。新材料產(chǎn)業(yè)是制造強(qiáng)國(guó)的基礎(chǔ)，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)。為了普及材料知識(shí)，吸引青少年投身于材料研究，促使我國(guó)關(guān)鍵材料“卡脖子”問(wèn)題盡快解決，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)特意組織了一批院士和材料專家，甄選部分對(duì)我國(guó)發(fā)展至關(guān)重要的前沿新材料進(jìn)行介紹。《走近前沿新材料（1）/前沿科學(xué)普及叢書(shū)·新材料科普叢書(shū)》涵蓋了20種新的前沿新材料領(lǐng)域新名詞，主要包括信息仿生材料、納米材料、醫(yī)用材料、能源材料。所選內(nèi)容既有我國(guó)已經(jīng)取得的一批性技術(shù)成果，也努力將前沿材料、先進(jìn)材料優(yōu)勢(shì)的智力資源不斷引入國(guó)內(nèi)，助力推動(dòng)我國(guó)材料研究和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。每一種材料的科普內(nèi)容獨(dú)立成文，深入淺出地闡釋了新材料的源起、范疇、定義和應(yīng)用領(lǐng)域，并配有引人入勝的小故事和原創(chuàng)圖片，讓廣大讀者特別是中小學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和了解前沿新材料。

目錄

200歲的“熱電少年”——探秘?zé)犭姴牧系那笆澜裆?/span>

超材料——真的能讓你來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤嗎？

當(dāng)代“魯班”的故事——揭秘道法自然的仿生材料

常溫液態(tài)金屬——自然界精靈般的材料

芯片材料——信息時(shí)代強(qiáng)有力的“心”

微納機(jī)器人——于細(xì)微處見(jiàn)神奇

操縱光子的神奇材料——光子晶體

透明膠帶中誕生的諾貝爾獎(jiǎng)——奇妙的二維材料

納米世界的碳材料——碳納米管

石墨烯的“前世今生”

從活字印刷到納米印刷