清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉靜課題組首次提出輕量化液態(tài)金屬物質(zhì)概念 時(shí)間：2020-04-14
近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授課題組在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上發(fā)表了題為“輕量化液態(tài)金屬物質(zhì)”（Lightweight Liquid Metal Entity）的研究論文，首次提出了輕量化液態(tài)金屬物質(zhì)的概念，并展示了這一全新材料的一系列特性和用途，相應(yīng)成果被選為期刊內(nèi)背封面故事（圖1）。
圖1. AFM期刊內(nèi)背封面故事反映的輕質(zhì)液態(tài)金屬材料
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常溫液態(tài)金屬通常是指一大類熔點(diǎn)接近室溫的低熔點(diǎn)金屬。與傳統(tǒng)認(rèn)知中的金屬不同，此類物質(zhì)通常情況下呈液態(tài)，既具有液體良好的流動(dòng)性，又擁有金屬材料優(yōu)異的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，且易于通過(guò)溫度調(diào)控使其在固液相之間快速切換，即表現(xiàn)出剛?cè)嵯酀?jì)的特點(diǎn)。由于這些因素，液態(tài)金屬在柔性電子、3D打印、芯片冷卻、生物醫(yī)學(xué)以及可變形機(jī)器人等領(lǐng)域得到了日益增長(zhǎng)的應(yīng)用。然而，常規(guī)的液態(tài)金屬材料自身密度通常很高，這會(huì)給由此制成的器件與裝備平添額外重量，造成相應(yīng)能量消耗，也削弱了使用的靈活性。
為改變上述現(xiàn)狀，劉靜課題組提出了旨在制造輕質(zhì)液態(tài)金屬的基本思想，他們特別以共晶鎵銦合金及中空玻璃微珠為典型代表（圖2），制備出了密度僅為水的一半以至可漂浮于水面的輕量化液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料（圖3）。這種材料除保留了純液態(tài)金屬良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、力學(xué)強(qiáng)度及固液相變特性（圖4）外，還擁有可塑性、可變形性乃至磁性等行為，作者們?yōu)榇嗽O(shè)計(jì)了系列平面及三維應(yīng)用場(chǎng)景，并引入不同封裝方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料漂浮行為的調(diào)控，展示了水面電路及水中機(jī)器人的潛在應(yīng)用。論文在線發(fā)表后引發(fā)了國(guó)內(nèi)外知名科學(xué)雜志或新聞網(wǎng)站的重視，新科學(xué)家New Scientist、Deeptech深科技、物理學(xué)家組織網(wǎng)Phys.org、Futurism及X-MOL、高分子科學(xué)前沿、學(xué)術(shù)頭條、鳳凰網(wǎng)、騰訊等對(duì)此進(jìn)行了專題報(bào)道。
圖2. 典型輕量化液態(tài)金屬?gòu)?fù)合物微觀結(jié)構(gòu)的SEM與EDS圖
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圖3. 基于液態(tài)金屬-中空玻璃微珠制成的輕量化復(fù)合材料及對(duì)應(yīng)密度
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圖4. 基于GaIn與玻璃微珠的輕量化液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料的力學(xué)與溫度斷裂行為
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輕質(zhì)液態(tài)金屬物質(zhì)概念的提出具有基礎(chǔ)科學(xué)意義和普適應(yīng)用價(jià)值，由此開(kāi)啟了一條研制新型液態(tài)金屬功能材料的基本途徑。原則上，結(jié)合各類液態(tài)金屬與對(duì)應(yīng)的輕質(zhì)改性物質(zhì)，可賦予終端材料更多目標(biāo)功能，從而能以一種材料形式同時(shí)將許多尖端材料的功能如電、磁、聲、光、熱、力學(xué)、流體、化學(xué)等集于一體，這是已有材料體系不易具備的，因而在許多場(chǎng)合十分有用，比如作為印刷電子墨水、3D打印材料、可注射金屬骨骼與牙科修復(fù)、血管栓塞及造影劑、水中機(jī)械電子設(shè)備、剛?cè)嵯酀?jì)型可穿戴外骨骼以及可變形柔性機(jī)器人等。
此項(xiàng)研究中，論文第一作者為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系博士生袁博，通訊作者為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授劉靜。相應(yīng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及中科院前沿項(xiàng)目的資助！
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論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709
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部分新聞鏈接：
Newscientist：https://www.newscientist.com/article/2236129-liquid-metal-that-floats-on-water-could-make-transformable-robots/
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Deeptech：
http://www.mittrchina.com/news/%205021
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Phys.org：
https://phys.org/news/2020-02-scientists-lightweight-liquid-metal-materials.html
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Futurism：
https://futurism.com/the-byte/scientists-build-robots-floating-liquid-metal
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