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液态金属：一个全新工业的崛起 已有14人参与
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聚焦液态金属 “在原创科技方面中国今后能向世界输出什么？我认为液态金属可算一个。”去年12月下旬，在某论坛上，中科院理化技术所双聘研究员、清华大学教授刘静如是说。 刘静所说的液态金属是指在常温常压下像水一样呈液态的金属。对常人来说，除了水银，几乎很少能见到液态金属。 人们最熟悉的液态金属是水银，它易蒸发形成有剧毒的汞蒸汽，因而限制了实际应用。其实，液态金属是个大家族，比如金属镓及镓系不同配比制成的镓铟合金或镓铟锡合金，它们没有水银的易蒸发和有毒性这些坏毛病，因而成为科学家实验室中的宠儿，正在展现出种种奇妙的应用。 液态金属：一个全新工业的崛起 既可以柔若流水，又可以瞬间硬若精钢，这就是液态金属的魅力之处。它又称非晶合金或金属玻璃，由于其不同于晶体的特殊原子排列结构，表现出超高比强、大弹性变形能力、低热膨胀系数等特异性能，受到各国科学家重视，成为当今最活跃的材料学研究领域之一，并孕育着继钢铁、塑料之后的第三次材料工业革命。上世纪80年代末以来，美国、日本、欧盟等都加大了对这一领域的支持力度，设立了相关重大研究项目。在整个国际上，掀起了一波追逐液态金属的热潮。 能“吃”食物（铝燃料）、进行“代谢”（化学反应）为自身提供能量驱动自身运动、根据环境变化进行变形，液态金属机器这一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物。这种“仿生型液态金属软体动物”，就是刘静研究组在世界上首次发现的一种独特的现象和机制——10摄氏度以上即为液态的金属镓铟锡合金，可在“吞食”少量铝后，以可变形机器形态长时间高速运动，无需外部电力。这为研制液态金属机器人奠定了理论和技术基础。 液态金属：一个全新工业的崛起 “液态金属自驱动效应，跟材料有关。”刘静说，刚开始“液态金属机器”并没有外部动力，等“吞食”铝片后，在电解液里形成原电池反应，会产生电力和气泡推动液态金属前进，就能自行运动了。如果液滴个体很小，在微米级别，就可以靠气泡的反作用力推动。如果液滴个体比较大，在毫米、厘米级别时，气泡的作用微乎其微。这时，铝与液态金属组成短路原电池，形成内生电场，这会改变液态金属表面电双层的分布，诱发液态金属表面张力出现不均衡，进而产生较大推动力。“液态金属表面张力是液体里最高的，是水的近9倍。由于它既是液体，又能导电，就可以在电双层表面张力作用下运动。表面张力会让液态金属向球形发展，在内部形成漩涡。从流体力学来说，是非常独特的，像风火轮一样内部出现大回环，又像坦克一样用轮子带动履带。” 液态金属：一个全新工业的崛起 吞噬自身体重1%至10%不等的铝，就能支撑这个液态金属软体动物以每秒5厘米的速度运动1个多小时，这样的发现，未来可用于研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人。 刘静笑称，镓基液态金属是被埋藏在深海里的矿藏，在10多年前还是一个比较冷门的研究方向。这种室温下的无毒液态金属，兼具金属的导电性和液体的柔性，可以勾起他无穷的想象力。 关于镓的想象力早在10多年前就开始发散。2002年的一天，刘静冒出一个念头，如果将镓引入到计算机CPU散热中会怎样？他带领团队开始进行大量试验，现在这个想法早已成功，并从实验室走向市场。 市面上的主流CPU散热技术经历了3代变革。第一代“翅片风冷”主要依靠铜、铝等金属的导热来实现散热；第二代“热管”则采用相变吸热、毛细回流的热展开方式；第三代以“水冷”为代表，采用水对流传热来实现热展开过程。这3代散热技术在面临极端高热流密度散热问题时，都存在不易克服的瓶颈。如水冷管道内易发生沸腾相变，会导致严重的系统稳定性问题，且其驱动需借助机械泵，使得硬件设备较大。镓合金则不同，它导热系数是水的60倍至70倍，捕获热量的能力比水强悍得多；沸点高达2000℃，抗击极端温度的能力异常强，且性质稳定、无毒。“液态金属芯片冷却是第四代技术，现在已经变成产品了，而且是批量化进入市场。” 想象力的魔盒打开后，刘静团队用液态金属创造了一个又一个世界首次。 “镓合金室温下像墨水，能不能让它像钢笔画画一样写出电路板呢？这激发了我关于液态金属印刷电子学的一系列想法。”刘静团队在这个想法基础上，做出了一系列的开拓性技术：纸上印刷电路及液态金属3D打印技术、“梦之墨”技术、皮肤电路直接绘制技术、可植入式医疗电子在体内3D打印、液态金属电子手写笔、可在任意表面制造电路的雾化打印方法……一直到去年问世的世界首台全自动液态金属个人电子电路打印机，实现了全球科学界与工业界的一个梦想：随时随地实现电子电路所见即所得的直接打印。有了这台机器，你可以从网上下载电路设计方案，打印出你想DIY的目标机器的核心电路。 刘静的想象力并没有局限在机器领域，他还想拿镓铟锡合金这种好用的材料来修补人体。去年，课题组在世界上首次应用液态金属“缝合”了牛蛙断裂的坐骨神经，这刷新了对人体神经连接与修复难题的认知。 “信号传导效果与未受伤的神经几乎一样。”刘静说，实验表明，液态金属充当了几乎完美的“桥”，使牛蛙一侧坐骨神经在遭受刺激时所产生的电信号，准确无误地传递到另一侧。也就是说，液态金属起到了导电传输的作用，可以传送生物电信号。 镓铟锡合金的3个优点让刘静决定尝试将其用于神经修复：第一，这种合金在常温下呈液态，无毒性，借助注射器就能钻进神经管道中“搭桥”，操作起来十分方便；第二，它具有杰出的导电性能，是水的100亿倍，能保证断裂的神经末梢在液态金属的连接下快速联通，其电导率也显著优于纳米材料溶液等热门的神经修复材料；第三，它很稳定，很难与体液、周围器官组织发生反应，因此在X光、CT的照射下，呈现出极高的影像对比度，如果神经生长恢复良好，便可把液态金属从体内抽离，不留一丝痕迹。 不只是神经连接修复，液态金属外骨骼、可注射金属内骨骼、血管造影……都是他们开发出的液态金属的生物医学“新功能”。 站得高才看得远 “这样的材料多能性确实罕见，是大自然的馈赠，如何发挥它的功用，是研究者要做的事情。”在刘静的心目中，镓合金应该还有更多神奇的功用未被发现，想象力无穷尽，科学发现也就不会有尽头。 比如，他们正在试图给液体金属机器人支骨敷皮，让这个柔软的“生物”站起来，实现从“水生”向“陆生”的进化。 “把液态金属用皮肤套装起来，或者用毛细现象将它附着在其他金属骨架表面，它就可以不局限于溶液中，能走出去执行高难度的特殊任务。”刘静的设想里，在救灾中，柔性机器人可以穿过狭小空隙再恢复原形并继续执行任务；在医疗中，柔性机器人可沿血管等人体自然腔道运动，将药物送入靶点，或者直接清扫血管里的垃圾；在外太空探索中，柔性机器人也可以在微重力或无重力环境下执行任务。“如果把电子编程看做是神经调控，液态金属看作‘细胞’功能执行单元，通过电子芯片进行编程并结合一定的材料技术，就可以让液态金属实现可控的变形和组装集成，并实现传统型刚性和硬质机器人无法做到的无缝连接。” 这些想象目前正在一个个踏踏实实的实验中探索其可行性。 “我们在不断尝试，各种声、光、热、电、力等因素对镓合金液态金属自驱动的影响，也在尝试铝之外的其他‘食物’是否可行。镓合金对人体无毒，但铝对人体有毒，所以目前这种自驱动液态金属机器人还不能用于生物实验。”中科院理化所博士生袁彬说。 液态金属机器人需要融合材料学、生物学、机器人、流体力学、电子、传感器以及计算机等多学科的知识，这才是把想象力变成现实的基础。 刘静的学科背景就是一个典型的例子。他本科就读清华大学热能工程系，同时还兼修了物理系的双学位，研究生还在热能系，但研究的课题却不是空调，而是“生物传热”——这让他又不得不学习了很多生物学和医学的知识。 “液态金属的核心问题就两块，物质和能量，都可以归结到工程学和物理学的基础范畴内。”刘静说，做这种前沿性的研究要避免盲人摸象，教育背景和学科背景就应该是综合的。“要冲到最顶上，才不会不识庐山真面目。” 在此次论坛上专家们还就液态金属的发展领域做了以下展望： 1 在国际学术界，液态金属这位“铁汉柔情”的宏观脆性与微观塑性之间本质关系一直是个谜。在切削加工这种大应力，高应变速率工况下的形变机制更是一个空白领域。而赵岩创造性地利用磁控溅射镀膜、金刚石超精密车削、分子动力学(MD)仿真等技术研究了金属玻璃的超精密加工及其剪切形变区的原子组态演化规律。他率先建立了Cu Zr金属玻璃超精密切削的MD仿真模型，总结出剪切区的温度、应力分布以及切削能量分布规律，填补了国际空白。 2 在软塑料上“打印”电路可制造能弯曲、伸展的柔性电路板，用手写笔快速制作LED电子显示屏，在皮肤、树叶上书写电路，为大功率、高集成度LED芯片散热等。把液态金属打印在树叶、皮肤上有什么意义？这代表了液态金属打印的普适性，可用于在各种表面制造电子电路；而皮肤打印，如在特殊情况下将医用电路和传感器印制到病人的头部，则可通过手机随时了解颅内的有关生理变化。 3 3D打印当下很时髦，但多集中于塑料、聚合物等材料上。刘静团队为此研制出液态金属室温3D打印设备，提出并实现了液相快速打印金属，以及非金属材料与金属材料的混合3D打印等，这在世界上属于开创性工作。刘静认为，“这将催生功能器件终极混合制造技术。” 4 液态金属高分辨CT成像、阻塞血管肿瘤治疗技术以及注射电子、液固转换型金属骨骼等。特别是，针对断裂神经修复这一世界性难题，采用液态金属“搭桥”，可成功实现了神经连接。 “人类文明的发展史启示我们：一类材料，一个时代。”中国在液态金属领域有幸走在世界的前列，我们希望能把握这一重大历史机遇，在中国建成世界级的液态金属谷。 |
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