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| 本文作者： 付靜 | 2020-03-18 18:06 |
在領(lǐng)先世界的液態(tài)金屬方面，我國科學(xué)家再次實現(xiàn)了新突破。
近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所雙聘研究員、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授劉靜團(tuán)隊首次提出「輕質(zhì)液態(tài)金屬」的概念，研發(fā)出了密度低于水的液態(tài)金屬復(fù)合材料，為打造液態(tài)金屬機器人奠定基礎(chǔ)。
據(jù)悉，該團(tuán)隊名為 Lightweight Liquid Metal Entity（輕質(zhì)液態(tài)金屬）的論文已于 2020 年 2 月 17 日登上《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。
「液態(tài)金屬」，是一種不定型、可流動液體的金屬，可看作是由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。作為可變形智能機器的基本要素，液體金屬為可變形體（尤其是液體機器）的設(shè)計、制造開辟了全新途徑。正如劉靜教授所說：
柔性機器、可變形機器在材料學(xué)和機器學(xué)中是一個非常重要的領(lǐng)域，而柔性正是液態(tài)金屬特有的行為。
但同時，液態(tài)金屬的一個缺點在于密度較高，這就意味著給機器增加了額外重量，其便利性因而被削弱。
為解決這一問題，劉靜團(tuán)隊提出了「輕質(zhì)液態(tài)金屬」——一種由空心玻璃微珠（Glass Bubbles）和鎵銦共晶（eGaIn）組成的非常規(guī)超輕材料 GB-eGaln。
下圖 a 為空心玻璃微珠結(jié)構(gòu)示意圖，b 為玻璃氣泡的真實照片（左）和顯微鏡照片（右）。
另外雷鋒網(wǎng)了解到，共晶是一種物理現(xiàn)象，指一定成分的合金液體在低于任一種組成物金屬熔點的共晶反應(yīng)溫度下，冷卻、凝固、結(jié)晶為兩種或更多致密晶體混合物。顧名思義，鎵銦共晶便是鎵（Ga）和銦（In）兩種金屬的混合物，密度為 6.25 g/cm3（溫度 25 °C 時）。
【相同重量（10 g）的 eGaIn 和 GB-eGaln 的比較】
而 GB-eGaln 密度低于 2.010 g/cm3，甚至可達(dá) 0.448 g/cm3，比水（密度 1 g/cm3）更輕——這是由于水和液態(tài)金屬對玻璃表面有不同的親和性，當(dāng)接觸到水后，GB-eGaln 內(nèi)部結(jié)構(gòu)會變?yōu)椴Ａ⒅?- 水（GB-water），這便引起了密度的變化。
下圖為不同 eGaIn 體積百分比（? = 0%，6%，12%，18%，24%，30%，36%）的 GB-eGaIn 密度變化（K1，Q25，Q46 為空心玻璃微珠的 3 個種類）。
2014 年 5 月，劉靜團(tuán)隊發(fā)表的名為 Diverse?Transformations?of?Liquid?Metals?Between?Different?Morphologies（不同構(gòu)象之間的液態(tài)金屬多變形性）的論文，揭示了室溫液態(tài)金屬（Room-temperature liquid metal）具有可在不同形態(tài)和運動模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。
實際上，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)，GB-eGaln 也可保持優(yōu)異的適形性、導(dǎo)電性，可在完全柔軟和堅硬的狀態(tài)之間自由切換。據(jù)悉，GB-eGaln 可成型為薄片，也可構(gòu)筑成三維立體結(jié)構(gòu)，重復(fù)使用 8 次后功能無明顯損失（如下圖）。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊還將 GB-eGaln 結(jié)合磁鐵，設(shè)計了浮力部件，提供開關(guān)和負(fù)載元件的功能。研究團(tuán)隊表示，有望在不久的將來利用 GB-eGaln 制造出軟體機器人及智能水下裝置。
實際上，我國在液態(tài)金屬方面領(lǐng)先世界，而與這一成就最密不可分的一個名字便是劉靜。
【雷鋒網(wǎng)注：圖源百度百科】
雷鋒網(wǎng)了解到，劉靜教授是清華大學(xué)較早的一批直博生，1992 年本科畢業(yè)后開始專攻生物傳熱學(xué)。
作為入選了中科院、清華大學(xué) “百人計劃”的生物傳熱學(xué)專家，其研究方向包括低溫生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、常溫及高溫生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、微/納米流體與熱學(xué)技術(shù)、先進(jìn)熱管理技術(shù)、超常規(guī)能源技術(shù)等等。2014 年 9 月，劉靜教授更是在日本京都召開的國際傳熱大會上獲得了每 4 年頒發(fā)一次，每次僅有 1 名獲獎?wù)叩膫鳠釋W(xué)界“終身成就獎”威廉?伯格獎（The William Begell Medal）。
2001 年，劉靜教授的一個顛覆性想法“液態(tài)金屬在室溫下可以流動，那么，為何不能將其與芯片冷卻建立起關(guān)聯(lián)？”幫他打開了“新世界的大門”，隨后不斷引起世界轟動。
劉靜團(tuán)隊近年來在液態(tài)金屬方面取得突破的大致時間線如下：
2013 年，首次發(fā)現(xiàn)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；首次發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在吞食少量鋁后，能自主高速運動且能變形的奇異行為；通過把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，首次研發(fā)出紙上直接生成電子電路的技術(shù)；
2015 年，研發(fā)出世界首臺自驅(qū)動液態(tài)金屬機器，為研制實用化智能馬達(dá)、血管機器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器甚至液態(tài)金屬機器人奠定基礎(chǔ)；
2016 年，報道了一種異常獨特的液態(tài)金屬固液組合機器的自激振蕩效應(yīng)，驗證了其在藥物遞送方面的潛在價值；研發(fā)出一種以柔性可變形“車輪”驅(qū)動的微型車輛；
2019 年，研發(fā)出一種液態(tài)金屬電子紋身，為個性化醫(yī)療及可穿戴設(shè)備提供新的解決途徑；首次系統(tǒng)地提出了旨在研制未來尖端柔性機器人的一般原則“液體集成”（I-LIFE），為研制接近動物和人體功能的全新一代尖端柔性機器人打下堅實基礎(chǔ)；報道了一種全新的功能復(fù)合型腫瘤栓塞劑液態(tài)金屬/海藻酸鈣（LM/CA）水凝膠，可制成具有特定功能的腫瘤制劑。
而對于已取得的成就，劉靜教授表示：
如果做出來的東西能夠有幸真正為世人所用，哪怕只有一小點，我想那就是最大的滿足和成就了。
參考資料：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201910709
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