清華大學醫(yī)學院劉靜課題組首次提出輕量化液態(tài)金屬物質概念
近日，清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系劉靜教授課題組在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發(fā)表了題為“輕量化液態(tài)金屬物質”（Lightweight Liquid Metal Entity）的研究論文，首次提出了輕量化液態(tài)金屬物質的概念，并展示了這一全新材料的一系列特性和用途，相應成果被選為期刊內背封面故事（圖1）。
圖1. AFM期刊內背封面故事反映的輕質液態(tài)金屬材料
常溫液態(tài)金屬通常是指一大類熔點接近室溫的低熔點金屬。與傳統認知中的金屬不同，此類物質通常情況下呈液態(tài)，既具有液體良好的流動性，又擁有金屬材料優(yōu)異的導電性與導熱性，且易于通過溫度調控使其在固液相之間快速切換，即表現出剛柔相濟的特點。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)學以及可變形機器人等領域得到了日益增長的應用。然而，常規(guī)的液態(tài)金屬材料自身密度通常很高，這會給由此制成的器件與裝備平添額外重量，造成相應能量消耗，也削弱了使用的靈活性。
為改變上述現狀，劉靜課題組提出了旨在制造輕質液態(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)金屬復合材料（圖3）。這種材料除保留了純液態(tài)金屬良好的導電性、導熱性、力學強度及固液相變特性（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計了系列平面及三維應用場景，并引入不同封裝方式實現了對材料漂浮行為的調控，展示了水面電路及水中機器人的潛在應用。論文在線發(fā)表后引發(fā)了國內外知名科學雜志或新聞網站的重視，新科學家New Scientist、Deeptech深科技、物理學家組織網Phys.org、Futurism及X-MOL、高分子科學前沿、學術頭條、鳳凰網、騰訊等對此進行了專題報道。
圖2. 典型輕量化液態(tài)金屬復合物微觀結構的SEM與EDS圖
圖3. 基于液態(tài)金屬-中空玻璃微珠制成的輕量化復合材料及對應密度
圖4. 基于GaIn與玻璃微珠的輕量化液態(tài)金屬復合材料的力學與溫度斷裂行為
輕質液態(tài)金屬物質概念的提出具有基礎科學意義和普適應用價值，由此開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，結合各類液態(tài)金屬與對應的輕質改性物質，可賦予終端材料更多目標功能，從而能以一種材料形式同時將許多尖端材料的功能如電、磁、聲、光、熱、力學、流體、化學等集于一體，這是已有材料體系不易具備的，因而在許多場合十分有用，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、血管栓塞及造影劑、水中機械電子設備、剛柔相濟型可穿戴外骨骼以及可變形柔性機器人等。
此項研究中，論文第一作者為清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系博士生袁博，通訊作者為清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系教授劉靜。相應研究得到國家自然科學基金重點項目及中科院前沿項目的資助！
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709
部分新聞鏈接：
Newscientist：https://www.newscientist.com/article/2236129-liquid-metal-that-floats-on-water-could-make-transformable-robots/
Deeptech：
http://www.mittrchina.com/news/%205021
Phys.org：
https://phys.org/news/2020-02-scientists-lightweight-liquid-metal-materials.html
Futurism：
https://futurism.com/the-byte/scientists-build-robots-floating-liquid-metal
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