液態金屬：打開傳統技術的變革大門

　　【前沿材料觀察②】

　　◎本報記者 崔 爽

　　近日，清華大學與中國科學院理化技術研究所的聯合研究小組首次創制出一種水相液態金屬物質，展示了一系列獨特的類生物組織與器官的節律行為，為人工生物組織的創制提供了全新的物質基礎。相關成果發表在《物質》雜志上。

　　在由工信部和國務院國資委聯合發布的第一批前沿材料產業化重點發展指導目錄中，液態金屬位列其中。“隨著室溫液態金屬的一系列革命性應用，這類以往只被零星研究或只在特殊領域引發關注的材料逐漸進入公眾視野。液態金屬促成了若干新科學發現，也打開了傳統技術的變革大門。”文章通訊作者、清華大學教授、中國科學院理化技術研究所研究員劉靜表示。

　　集兩種截然不同的性質于一身

　　“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個元素中超過90個是金屬元素。大部分金屬具有較高的熔點，在室溫下呈固態。但在元素周期表中，還存在著一類特殊的金屬，它們的熔點比較低，如銣（Rb）、銫（Cs）、鈁（Fr）、汞（Hg）和鎵（Ga），這類熔點在室溫附近的金屬或合金材料被稱為室溫液態金屬。”中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員李潤偉對科技日報記者解釋，銣、銫、鈁的放射性和高化學活潑性以及汞的易揮發性和高毒性，限制了它們在實際生活中的應用。鎵基/鉍基/銦基/錫基金屬及其合金等，是目前研究和應用最為普遍的液態金屬材料。

　　李潤偉表示，液態金屬在室溫下既展現出像水一樣的可變形、可重構的流體特性，同時又表現出高導電、導熱性能的金屬特性，是一類物理化學性質十分新奇的新型功能材料，在基礎科學研究和前沿技術開發中都擁有極為豐富的探索空間。他進一步解釋，以鎵為例，其具有極寬液相區（熔點29.76℃、沸點2403℃）、極低飽和蒸氣壓、無毒以及較好生物相容性等特點。

　　此外液態金屬有巨大的表面張力，例如鎵基液態金屬的表面張力約為水的10倍，巨大的表面張力使液態金屬傾向于縮成球形液滴。鎵基液態金屬的另外一個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，其表面張力會大幅降低，而氧化層一旦被去掉，高表面張力又會立刻恢復。通過電或化學的手段，調節液滴表面張力，可以實現液滴大尺度變形、定向運動、滲透等。此外氧化層“皮膚”賦予鎵基液態金屬流體性質的同時，還賦予其一定的機械性能，并使其潤濕和黏附行為發生改變，為實現液態金屬電子器件的圖案化創造了條件。

　　帶動新技術應用體系構建

　　如今，液態金屬正帶動新一代信息技術、新能源、先進制造、生物醫學等領域的創新發展。中國科學院理化技術研究所液態金屬中心主任鄧中山介紹，2002年，中國團隊首次提出將低熔點金屬，特別是鎵基液態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金屬的基礎與應用研究。此后，我國又相繼開創了液態金屬在功能材料、熱控與能源、印刷電子與3D打印、生物醫學、可變形機器等多個領域的研究，系統建立了相應方向的理論與應用技術體系，創建了全新的液態金屬工業，并推動其發展，使液態金屬從最初的冷門領域發展成備受矚目的重大科技前沿。

　　據鄧中山介紹，液態金屬作為同時兼具流動性、高導熱性、高體積相變潛熱的材料，為先進散熱技術帶來了顛覆性變革。例如，液態金屬通過浸潤性改性后制備的熱界面材料，其熱阻遠低于現有硅脂基熱界面材料；將液態金屬作為流體散熱介質，其換熱系數遠高于現有液冷技術能達到的換熱系數；將液態金屬（低熔點合金）作為相變熱控材料，其具有傳熱迅速、單位體積相變潛熱大、相變材料內溫度梯度小、相變前后體積變化小等顯著優勢。

　　“由于兼具各種綜合優勢，液態金屬有望成為理想的超高功率密度散熱材料，并帶動構建嶄新的技術應用體系。”鄧中山評價。

　　同時，由于液態金屬是一種液體導電材料，因此可以利用印刷（涂布）工藝將其制造為柔性化、薄膜輕質化、表面共形化電子線路及器件，并有望與規模化生產方式相結合。液態金屬還可與其他材料結合應用在“剛柔相濟”的機器人上，構建全新概念的先進機器人技術。

　　產業轉化進入快速發展階段

　　“當前，世界科技正處于革命性變革的新階段，液態金屬堪稱催生突破性發現和技術變革的‘科技航母’。”劉靜介紹。

　　李潤偉表示，憑借新奇的特性，液態金屬在眾多領域展現出廣泛的應用前景，成為具有重大工業應用價值和國家戰略意義的新材料。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，旨在解決特殊領域如核反應堆散熱等問題。

　　液態金屬同時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模應用都發端于中國，自本世紀初開始，該材料的應用已陸續推進到我國熱控能源、電子制造、生物醫療、柔性機器人、化學化工、機械加工等幾乎所有的工業領域。“目前我國在液態金屬及其器件應用方面已經形成了較為完備的布局，建立了完善的基礎研究、應用研發和產業推廣體系。”李潤偉說。

　　鄧中山表示，近年來，我國在液態金屬產業化方面進入快速發展階段，居國際領先水平，已孵化出一系列在世界上處于領先地位或填補空白的液態金屬高新技術企業。

　　李潤偉同樣提到，隨著云南液態金屬谷產業集群的建立，以及北京夢之墨、寧波韌和科技等企業的涌現，我國液態金屬在工業化驗證、國家標準建立、彈性傳感器等領域已經形成特色。這些企業和研究機構的努力，使液態金屬在工業化和商業化應用方面取得了重要的進展，為我國在液態金屬應用領域的發展注入了新的動力。