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還記得 1991 年的科幻電影《終結(jié)者 2》里的 T-1000 機(jī)器人嗎？它的全身由液態(tài)金屬構(gòu)成，能在固,、液態(tài)之間隨意轉(zhuǎn)換,，具有強(qiáng)大的變形偽裝能力，幾乎可以偽裝成它碰過的任何人,。同時(shí),，全身也能變成液態(tài)流淌，與地面融合在一起,，之后再緩緩浮出地板,，成為固體。  T-1000 液態(tài)金屬機(jī)器人 詹姆斯卡梅隆導(dǎo)演的這部電影領(lǐng)先當(dāng)時(shí)電影一個(gè)時(shí)代,，影片中殺傷力極強(qiáng),、無法毀滅的液態(tài)金屬機(jī)器人在當(dāng)時(shí)看來是天馬行空。然而,，如今可能會(huì)得到實(shí)現(xiàn),。 近日，來自中科院理化所和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系的劉靜教授團(tuán)隊(duì),，首次提出輕質(zhì)液態(tài)金屬物質(zhì)這個(gè)概念,，并研發(fā)出系列密度甚至低于水的液態(tài)金屬復(fù)合材料，該項(xiàng)工作發(fā)表在期刊《先進(jìn)功能材料》上,。 全新液態(tài)金屬材料 液態(tài)金屬,，是指常溫下呈液態(tài)狀態(tài)、可流動(dòng)且能導(dǎo)電的金屬,，因其高導(dǎo)電性和柔韌性,，在開發(fā)可穿戴設(shè)備和軟機(jī)器人方面十分重要。 在電子領(lǐng)域,，液態(tài)金屬可以作為墨水用于 3D 打印直接生成電子電路,；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因其與人類有良好的相容性,，可以將神經(jīng)電信號(hào)連通,，用以修復(fù)斷裂神經(jīng)。然而,，由于液態(tài)金屬材料自身的高密度,，因此也給制成的器件平添額外重量，造成相應(yīng)能量消耗,，也削弱了使用的靈巧性,。  液態(tài)金屬可以制造水下設(shè)備，改造機(jī)器人或制造輕巧的外骨骼（來源：MandriaPix） 而劉靜團(tuán)隊(duì)研發(fā)的復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱 GB-eGaln ）, 是由空心玻璃微珠與液態(tài)金屬構(gòu)成,，其密度已從鎵銦合金最初的幅值 6.2 g/cm3 降低至 0.5g/cm3 以下,，使其擁有身輕如燕以至于可漂浮于水面的能力,。  由空心玻璃微珠及液態(tài)金屬制成的輕量化復(fù)合材料 GB-eGaln 根據(jù)他們的研究，GB-eGaln 具有高粘附力,，因此可以成型為薄片,。因其良好的延展性，這種材料可輕松塑形為各種平面片狀結(jié)構(gòu)器件,，也可以很容易的折疊或卷起,，獨(dú)立的兩片可以通過按壓形成一個(gè)整體。利用該性質(zhì),，人們可以通過類似折紙的方式將其從二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而構(gòu)筑成三維立體結(jié)構(gòu),。 得益于液體金屬優(yōu)良的室溫固液相變性質(zhì)，GB-eGaln 也可通過溫度調(diào)控,，十分輕松地在完全柔軟的狀態(tài)和堅(jiān)硬的金屬物體之間自由切換,，這樣，即便是薄片也能實(shí)現(xiàn)良好的承重性能,。 由于水和液態(tài)金屬對(duì)玻璃表面親和性不同,，當(dāng)接觸到水后，GB-eGaln 內(nèi)部原有的玻璃微珠 - 液態(tài)金屬連接會(huì)被玻璃微珠 - 水連接所替代,，從而使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,，進(jìn)而引起密度及電學(xué)性質(zhì)的改變。研究人員利用這一特性,，為 GB-eGaln 薄片設(shè)計(jì)了差異性封裝結(jié)構(gòu),，因此可通過在未封裝部位加入少量的水對(duì)其漂浮行為加以調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)漂浮和下沉行為,。沉沒后的 GB-eGaln ,，也可通過烘干處理，重新恢復(fù)其原有的漂浮與電學(xué)性質(zhì),，因此實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用,。 在研究中，他們還證明了結(jié)合磁體的 GB-eGaln 組件可以在外部磁場(chǎng)和包裝材料的調(diào)節(jié)下控制運(yùn)動(dòng),，懸浮和下沉,，這為開發(fā)高級(jí)智能水下設(shè)備提供了潛在的用途。 一類材料,，一個(gè)時(shí)代 在去年,，中科院理化所劉靜、饒偉研究員團(tuán)隊(duì)還在材料領(lǐng)域的頂刊《材料科學(xué)與工程》發(fā)表了關(guān)于可變形的液態(tài)金屬納米材料的綜述文章,。 一直以來,，在生物醫(yī)學(xué)、印刷電子,、界面材料和柔性傳感器等領(lǐng)域中,，降低液態(tài)金屬液滴的表面張力、增加比表面積及縮小物理尺寸對(duì)于液態(tài)金屬至關(guān)重要,。而微納米液態(tài)金屬可顯著改變和提升宏觀液體金屬的特定物理化學(xué)性能,，展現(xiàn)出宏觀液體金屬力所不及的性能。 在增材制造領(lǐng)域,，利用直寫和微注射等制造方式展示了批量生態(tài)液態(tài)金屬圖案的潛在實(shí)際應(yīng)用,。但受限于較大的表面張力和易于形成的表面氧化物，宏觀液態(tài)金屬與常用的噴墨式打印工藝難以兼容,，因此制造導(dǎo)線寬度僅為幾微米甚至更高分辨率柔性電路仍是 “卡脖子” 的難題,。然而，引入微納液態(tài)金屬液協(xié)助精確電路的制造,，使高分辨率印刷電子 “觸手可及”,。 同時(shí)得益于尺寸效應(yīng)，液態(tài)金屬微納米顆粒同樣在電磁光熱等方面也表現(xiàn)出了一些異于宏觀液態(tài)金屬的獨(dú)特性質(zhì),，這使其在生物醫(yī)學(xué),、柔性電子、熱管理和微型馬達(dá)等領(lǐng)域發(fā)揮了獨(dú)特作用,。  微納米液態(tài)金屬材料多領(lǐng)域應(yīng)用上的優(yōu)越性 “人類文明的發(fā)展史啟示我們：一類材料,，一個(gè)時(shí)代”，劉靜說,，“中國(guó)液態(tài)金屬研究從 2000 年開始至今,，已申報(bào) 200 余項(xiàng)發(fā)明專利，基本覆蓋液態(tài)金屬的眾多領(lǐng)域,。液態(tài)金屬作為一類特殊功能材料,，有望在電子信息、生物醫(yī)學(xué),、柔性機(jī)器人,、新計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域帶來顛覆性變革，并催生出一系列戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),?！?/span> 液態(tài)金屬領(lǐng)域的奇跡 十幾年前，劉靜和他的團(tuán)隊(duì)還在鉆研于冷熱刀,，這把刀可用于對(duì)腫瘤病灶實(shí)施深度凍結(jié)和消融,，使病人減少痛苦。同時(shí),，冷熱刀也可迅速升溫到 80 攝氏度,，以處理更大范圍病灶，實(shí)現(xiàn)高效止血,。如今冷熱刀通過了衛(wèi)生部門的審核,，并進(jìn)入臨床使用階段,。劉靜感慨，“用十年磨一劍來形容冷熱刀的研制都不夠啊,?！?/span> 除了冷熱刀，這 17 年間,，劉靜還跨界到了液態(tài)金屬研究領(lǐng)域,。 在 2013 年，劉靜和團(tuán)隊(duì)就首次發(fā)現(xiàn)了在電場(chǎng)控制下,，液態(tài)金屬與水的復(fù)合體可在各種形態(tài)及運(yùn)動(dòng)模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的基本現(xiàn)象,。之后又在世界上首次發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在吞食少量鋁后，還能自主高速運(yùn)動(dòng)且能變形的奇異行為,。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)全世界,。 之后到了 2015 年，由劉靜教授帶領(lǐng)的清華大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合小組,，研發(fā)出世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器,，無需外部電力驅(qū)動(dòng)，柔性極佳,，為研發(fā)可變形機(jī)器人邁出了重要一步,。自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問世及其引申出的全新的可變形機(jī)器概念，有望變革傳統(tǒng)的機(jī)器制造理念,，提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程,。 在 2018 年，劉靜團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了一種基于液態(tài)金屬的新型柔性多功能材料,，論文刊登在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《材料視野》上,。這種材料具有良好的導(dǎo)電性和磁性，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣體并生成多孔結(jié)構(gòu),。在極端情況下,，其梯級(jí)可快速膨脹至原來的 7 倍以上，膨脹后的多孔金屬甚至可攜帶重物漂浮在水面上,。這對(duì)于液態(tài)金屬領(lǐng)域來說,，又一次創(chuàng)造了奇跡。 一代材料,，一代裝備,。中科院劉維民說，“我不敢說液態(tài)金屬開辟了一個(gè)新的時(shí)代,，但它作為一種新材料,，給我們開辟了一個(gè)新世界?！?/strong> 截至目前,，該團(tuán)隊(duì)做出了 40 余項(xiàng)全新基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn),，并在芯片冷卻、熱量捕獲,、低成本制氫,、桌面電子打印機(jī)、3D 打印,、神經(jīng)連接、腫瘤治療,、柔性可變性機(jī)器等方面取得了一系列底層技術(shù)突破,。 劉靜：跨界研究液態(tài)金屬 劉靜是中科院理化技術(shù)所雙聘研究員兼清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)系工程系教授，先后入選中科院及清華大學(xué) “百人計(jì)劃”,，長(zhǎng)期從事液態(tài)金屬,、生物醫(yī)學(xué)工程與工程熱物理等領(lǐng)域的研究工作。 他本科就讀于清華大學(xué),，學(xué)的是燃?xì)廨啓C(jī),，還選修了第二專業(yè)應(yīng)用物理。直博時(shí),，他選擇了與工程熱物理及生物醫(yī)學(xué)有關(guān)的研究方向 —— 生物傳熱學(xué),，1996 年獲得工學(xué)博士學(xué)位后留校任教，開始了他的科研生涯,，而他與液態(tài)金屬的 “相遇” 純屬偶然,。 2001 年，劉靜正努力尋找一種能讓計(jì)算機(jī)芯片快速散熱的材料,。在多次嘗試后,，劉靜意識(shí)到液態(tài)金屬具有超高的導(dǎo)熱性，作為冷卻液可將集成電路中的熱量快速導(dǎo)出,。就此,，他開始了在液態(tài)金屬領(lǐng)域的研究。 十幾年的蟄伏,，劉靜鉆研于液態(tài)金屬領(lǐng)域,，發(fā)表了 100 多篇論文，幾乎每年都有成果產(chǎn)出,，他對(duì)科研的癡迷,，也讓他收獲了碩果。2014 年,，劉靜榮獲威廉?伯格獎(jiǎng),，這是中國(guó)科學(xué)家首次獲得國(guó)際傳熱界最高獎(jiǎng)項(xiàng)。威廉?伯格獎(jiǎng)每 4 年頒發(fā)一次,，每次僅有 1 名獲獎(jiǎng)?wù)摺?/span>   劉靜學(xué)術(shù)大數(shù)據(jù)（來源：清華大學(xué)AMiner） 參考： [1] Bo Yuan et al.Lightweight Liquid Metal Entity,Advanced Functional Materials (2020)._http://dx./10.1002/adfm.201910709 [2] Mingkuan Zhang et al. Transformable soft liquid metal micro/nanomaterials,Materials Science and Engineering:R:Reports (2019)https:///10.1016/j.mser.2019.03.001 [3]https:///news/2020-02-scientists-lightweight-liquid-metal-materials.html [4]http://www./dhTJDAOHANG/fhjs/jishuchengguo/2020-02-21/176237.html [5]http://www./sci/kjxw15354.html [6]http://news./publish/thunews/9659/2018/20180122155117924160929/20180122155117924160929.html [7]https://www.sohu.com/a/221472587806277 |
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