液態(tài)金屬：打開傳統(tǒng)技術(shù)的變革大門

　　【前沿材料觀察②】

　　◎本報(bào)記者 崔 爽

　　近日，清華大學(xué)與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的聯(lián)合研究小組首次創(chuàng)制出一種水相液態(tài)金屬物質(zhì)，展示了一系列獨(dú)特的類生物組織與器官的節(jié)律行為，為人工生物組織的創(chuàng)制提供了全新的物質(zhì)基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在《物質(zhì)》雜志上。

　　在由工信部和國務(wù)院國資委聯(lián)合發(fā)布的第一批前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄中，液態(tài)金屬位列其中。“隨著室溫液態(tài)金屬的一系列革命性應(yīng)用，這類以往只被零星研究或只在特殊領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注的材料逐漸進(jìn)入公眾視野。液態(tài)金屬促成了若干新科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也打開了傳統(tǒng)技術(shù)的變革大門。”文章通訊作者、清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員劉靜表示。

　　集兩種截然不同的性質(zhì)于一身

　　“金屬是地球上最豐富也是最重要的材料之一。在元素周期表中，118個(gè)元素中超過90個(gè)是金屬元素。大部分金屬具有較高的熔點(diǎn)，在室溫下呈固態(tài)。但在元素周期表中，還存在著一類特殊的金屬，它們的熔點(diǎn)比較低，如銣（Rb）、銫（Cs）、鈁（Fr）、汞（Hg）和鎵（Ga），這類熔點(diǎn)在室溫附近的金屬或合金材料被稱為室溫液態(tài)金屬。”中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員李潤偉對科技日報(bào)記者解釋，銣、銫、鈁的放射性和高化學(xué)活潑性以及汞的易揮發(fā)性和高毒性，限制了它們在實(shí)際生活中的應(yīng)用。鎵基/鉍基/銦基/錫基金屬及其合金等，是目前研究和應(yīng)用最為普遍的液態(tài)金屬材料。

　　李潤偉表示，液態(tài)金屬在室溫下既展現(xiàn)出像水一樣的可變形、可重構(gòu)的流體特性，同時(shí)又表現(xiàn)出高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的金屬特性，是一類物理化學(xué)性質(zhì)十分新奇的新型功能材料，在基礎(chǔ)科學(xué)研究和前沿技術(shù)開發(fā)中都擁有極為豐富的探索空間。他進(jìn)一步解釋，以鎵為例，其具有極寬液相區(qū)（熔點(diǎn)29.76℃、沸點(diǎn)2403℃）、極低飽和蒸氣壓、無毒以及較好生物相容性等特點(diǎn)。

　　此外液態(tài)金屬有巨大的表面張力，例如鎵基液態(tài)金屬的表面張力約為水的10倍，巨大的表面張力使液態(tài)金屬傾向于縮成球形液滴。鎵基液態(tài)金屬的另外一個(gè)重要屬性是極易氧化并形成納米級氧化物表皮，表面氧化層“皮膚”一旦形成，其表面張力會(huì)大幅降低，而氧化層一旦被去掉，高表面張力又會(huì)立刻恢復(fù)。通過電或化學(xué)的手段，調(diào)節(jié)液滴表面張力，可以實(shí)現(xiàn)液滴大尺度變形、定向運(yùn)動(dòng)、滲透等。此外氧化層“皮膚”賦予鎵基液態(tài)金屬流體性質(zhì)的同時(shí)，還賦予其一定的機(jī)械性能，并使其潤濕和黏附行為發(fā)生改變，為實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電子器件的圖案化創(chuàng)造了條件。

　　帶動(dòng)新技術(shù)應(yīng)用體系構(gòu)建

　　如今，液態(tài)金屬正帶動(dòng)新一代信息技術(shù)、新能源、先進(jìn)制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所液態(tài)金屬中心主任鄧中山介紹，2002年，中國團(tuán)隊(duì)首次提出將低熔點(diǎn)金屬，特別是鎵基液態(tài)金屬流體用于芯片冷卻，從此開啟了這類高安全性室溫液態(tài)金屬的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。此后，我國又相繼開創(chuàng)了液態(tài)金屬在功能材料、熱控與能源、印刷電子與3D打印、生物醫(yī)學(xué)、可變形機(jī)器等多個(gè)領(lǐng)域的研究，系統(tǒng)建立了相應(yīng)方向的理論與應(yīng)用技術(shù)體系，創(chuàng)建了全新的液態(tài)金屬工業(yè)，并推動(dòng)其發(fā)展，使液態(tài)金屬從最初的冷門領(lǐng)域發(fā)展成備受矚目的重大科技前沿。

　　據(jù)鄧中山介紹，液態(tài)金屬作為同時(shí)兼具流動(dòng)性、高導(dǎo)熱性、高體積相變潛熱的材料，為先進(jìn)散熱技術(shù)帶來了顛覆性變革。例如，液態(tài)金屬通過浸潤性改性后制備的熱界面材料，其熱阻遠(yuǎn)低于現(xiàn)有硅脂基熱界面材料；將液態(tài)金屬作為流體散熱介質(zhì)，其換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有液冷技術(shù)能達(dá)到的換熱系數(shù)；將液態(tài)金屬（低熔點(diǎn)合金）作為相變熱控材料，其具有傳熱迅速、單位體積相變潛熱大、相變材料內(nèi)溫度梯度小、相變前后體積變化小等顯著優(yōu)勢。

　　“由于兼具各種綜合優(yōu)勢，液態(tài)金屬有望成為理想的超高功率密度散熱材料，并帶動(dòng)構(gòu)建嶄新的技術(shù)應(yīng)用體系。”鄧中山評價(jià)。

　　同時(shí)，由于液態(tài)金屬是一種液體導(dǎo)電材料，因此可以利用印刷（涂布）工藝將其制造為柔性化、薄膜輕質(zhì)化、表面共形化電子線路及器件，并有望與規(guī)模化生產(chǎn)方式相結(jié)合。液態(tài)金屬還可與其他材料結(jié)合應(yīng)用在“剛?cè)嵯酀?jì)”的機(jī)器人上，構(gòu)建全新概念的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)。

　　產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化進(jìn)入快速發(fā)展階段

　　“當(dāng)前，世界科技正處于革命性變革的新階段，液態(tài)金屬堪稱催生突破性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)變革的‘科技航母’。”劉靜介紹。

　　李潤偉表示，憑借新奇的特性，液態(tài)金屬在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，成為具有重大工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和國家戰(zhàn)略意義的新材料。雖然早在2000年以前，美國和日本就開始了對液態(tài)金屬的研究，但研究主要集中于汞、鈉鉀合金類材料，旨在解決特殊領(lǐng)域如核反應(yīng)堆散熱等問題。

　　液態(tài)金屬同時(shí)也是我國資源稟賦比較突出的材料。如鎵基合金、鉍基合金等的研究和大規(guī)模應(yīng)用都發(fā)端于中國，自本世紀(jì)初開始，該材料的應(yīng)用已陸續(xù)推進(jìn)到我國熱控能源、電子制造、生物醫(yī)療、柔性機(jī)器人、化學(xué)化工、機(jī)械加工等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。“目前我國在液態(tài)金屬及其器件應(yīng)用方面已經(jīng)形成了較為完備的布局，建立了完善的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推廣體系。”李潤偉說。

　　鄧中山表示，近年來，我國在液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)入快速發(fā)展階段，居國際領(lǐng)先水平，已孵化出一系列在世界上處于領(lǐng)先地位或填補(bǔ)空白的液態(tài)金屬高新技術(shù)企業(yè)。

　　李潤偉同樣提到，隨著云南液態(tài)金屬谷產(chǎn)業(yè)集群的建立，以及北京夢之墨、寧波韌和科技等企業(yè)的涌現(xiàn)，我國液態(tài)金屬在工業(yè)化驗(yàn)證、國家標(biāo)準(zhǔn)建立、彈性傳感器等領(lǐng)域已經(jīng)形成特色。這些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的努力，使液態(tài)金屬在工業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用方面取得了重要的進(jìn)展，為我國在液態(tài)金屬應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。