液态金属：打开传统技术的变革大门

　　【前沿材料观察②】

　　◎本报记者 崔 爽

　　近日，清华大学与中国科学院理化技术研究所的联合研究小组首次创制出一种水相液态金属物质，展示了一系列独特的类生物组织与器官的节律行为，为人工生物组织的创制提供了全新的物质基础。相关成果发表在《物质》杂志上。

　　在由工信部和国务院国资委联合发布的第一批前沿材料产业化重点发展指导目录中，液态金属位列其中。“随着室温液态金属的一系列革命性应用，这类以往只被零星研究或只在特殊领域引发关注的材料逐渐进入公众视野。液态金属促成了若干新科学发现，也打开了传统技术的变革大门。”文章通讯作者、清华大学教授、中国科学院理化技术研究所研究员刘静表示。

　　集两种截然不同的性质于一身

　　“金属是地球上最丰富也是最重要的材料之一。在元素周期表中，118个元素中超过90个是金属元素。大部分金属具有较高的熔点，在室温下呈固态。但在元素周期表中，还存在着一类特殊的金属，它们的熔点比较低，如铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）、汞（Hg）和镓（Ga），这类熔点在室温附近的金属或合金材料被称为室温液态金属。”中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员李润伟对科技日报记者解释，铷、铯、钫的放射性和高化学活泼性以及汞的易挥发性和高毒性，限制了它们在实际生活中的应用。镓基/铋基/铟基/锡基金属及其合金等，是目前研究和应用最为普遍的液态金属材料。

　　李润伟表示，液态金属在室温下既展现出像水一样的可变形、可重构的流体特性，同时又表现出高导电、导热性能的金属特性，是一类物理化学性质十分新奇的新型功能材料，在基础科学研究和前沿技术开发中都拥有极为丰富的探索空间。他进一步解释，以镓为例，其具有极宽液相区（熔点29.76℃、沸点2403℃）、极低饱和蒸气压、无毒以及较好生物相容性等特点。

　　此外液态金属有巨大的表面张力，例如镓基液态金属的表面张力约为水的10倍，巨大的表面张力使液态金属倾向于缩成球形液滴。镓基液态金属的另外一个重要属性是极易氧化并形成纳米级氧化物表皮，表面氧化层“皮肤”一旦形成，其表面张力会大幅降低，而氧化层一旦被去掉，高表面张力又会立刻恢复。通过电或化学的手段，调节液滴表面张力，可以实现液滴大尺度变形、定向运动、渗透等。此外氧化层“皮肤”赋予镓基液态金属流体性质的同时，还赋予其一定的机械性能，并使其润湿和黏附行为发生改变，为实现液态金属电子器件的图案化创造了条件。

　　带动新技术应用体系构建

　　如今，液态金属正带动新一代信息技术、新能源、先进制造、生物医学等领域的创新发展。中国科学院理化技术研究所液态金属中心主任邓中山介绍，2002年，中国团队首次提出将低熔点金属，特别是镓基液态金属流体用于芯片冷却，从此开启了这类高安全性室温液态金属的基础与应用研究。此后，我国又相继开创了液态金属在功能材料、热控与能源、印刷电子与3D打印、生物医学、可变形机器等多个领域的研究，系统建立了相应方向的理论与应用技术体系，创建了全新的液态金属工业，并推动其发展，使液态金属从最初的冷门领域发展成备受瞩目的重大科技前沿。

　　据邓中山介绍，液态金属作为同时兼具流动性、高导热性、高体积相变潜热的材料，为先进散热技术带来了颠覆性变革。例如，液态金属通过浸润性改性后制备的热界面材料，其热阻远低于现有硅脂基热界面材料；将液态金属作为流体散热介质，其换热系数远高于现有液冷技术能达到的换热系数；将液态金属（低熔点合金）作为相变热控材料，其具有传热迅速、单位体积相变潜热大、相变材料内温度梯度小、相变前后体积变化小等显著优势。

　　“由于兼具各种综合优势，液态金属有望成为理想的超高功率密度散热材料，并带动构建崭新的技术应用体系。”邓中山评价。

　　同时，由于液态金属是一种液体导电材料，因此可以利用印刷（涂布）工艺将其制造为柔性化、薄膜轻质化、表面共形化电子线路及器件，并有望与规模化生产方式相结合。液态金属还可与其他材料结合应用在“刚柔相济”的机器人上，构建全新概念的先进机器人技术。

　　产业转化进入快速发展阶段

　　“当前，世界科技正处于革命性变革的新阶段，液态金属堪称催生突破性发现和技术变革的‘科技航母’。”刘静介绍。

　　李润伟表示，凭借新奇的特性，液态金属在众多领域展现出广泛的应用前景，成为具有重大工业应用价值和国家战略意义的新材料。虽然早在2000年以前，美国和日本就开始了对液态金属的研究，但研究主要集中于汞、钠钾合金类材料，旨在解决特殊领域如核反应堆散热等问题。

　　液态金属同时也是我国资源禀赋比较突出的材料。如镓基合金、铋基合金等的研究和大规模应用都发端于中国，自本世纪初开始，该材料的应用已陆续推进到我国热控能源、电子制造、生物医疗、柔性机器人、化学化工、机械加工等几乎所有的工业领域。“目前我国在液态金属及其器件应用方面已经形成了较为完备的布局，建立了完善的基础研究、应用研发和产业推广体系。”李润伟说。

　　邓中山表示，近年来，我国在液态金属产业化方面进入快速发展阶段，居国际领先水平，已孵化出一系列在世界上处于领先地位或填补空白的液态金属高新技术企业。

　　李润伟同样提到，随着云南液态金属谷产业集群的建立，以及北京梦之墨、宁波韧和科技等企业的涌现，我国液态金属在工业化验证、国家标准建立、弹性传感器等领域已经形成特色。这些企业和研究机构的努力，使液态金属在工业化和商业化应用方面取得了重要的进展，为我国在液态金属应用领域的发展注入了新的动力。