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金屬的密度低于水？劉靜團(tuán)隊(duì)再次實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬領(lǐng)域新突破
文章來源：雷鋒網(wǎng) 更新時(shí)間：2020-03-19 16:08:45
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在領(lǐng)先世界的液態(tài)金屬方面，我國(guó)科學(xué)家再次實(shí)現(xiàn)了新突破。近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所雙聘研究員、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授劉靜團(tuán)隊(duì)首次提出“輕質(zhì)液態(tài)金屬”的概念，研發(fā)出了密度低于水的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料，為打造液態(tài)金屬機(jī)器人奠定基礎(chǔ)。 據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)名為L(zhǎng)ightweight Liquid Metal Entity（輕質(zhì)液態(tài)金屬）的論文已于2020年2月17日登上《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。 密度低于水的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料 “液態(tài)金屬”，是一種不定型、可流動(dòng)液體的金屬，可看作是由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。作為可變形智能機(jī)器的基本要素，液體金屬為可變形體（尤其是液體機(jī)器）的設(shè)計(jì)、制造開辟了全新途徑。正如劉靜教授所說： 柔性機(jī)器、可變形機(jī)器在材料學(xué)和機(jī)器學(xué)中是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域，而柔性正是液態(tài)金屬特有的行為。 但同時(shí)，液態(tài)金屬的一個(gè)缺點(diǎn)在于密度較高，這就意味著給機(jī)器增加了額外重量，其便利性因而被削弱。 為解決這一問題，劉靜團(tuán)隊(duì)提出了“輕質(zhì)液態(tài)金屬”——一種由空心玻璃微珠（Glass Bubbles）和鎵銦共晶（eGaIn）組成的非常規(guī)超輕材料GB-eGaln。 下圖a為空心玻璃微珠結(jié)構(gòu)示意圖，b為玻璃氣泡的真實(shí)照片（左）和顯微鏡照片（右）。
共晶是一種物理現(xiàn)象，指一定成分的合金液體在低于任一種組成物金屬熔點(diǎn)的共晶反應(yīng)溫度下，冷卻、凝固、結(jié)晶為兩種或更多致密晶體混合物。顧名思義，鎵銦共晶便是鎵（Ga）和銦（In）兩種金屬的混合物，密度為6.25g/cm³（溫度25°C時(shí)）。
而GB-eGaln密度低于2.010g/cm³，甚至可達(dá)0.448g/cm³，比水（密度1g/cm³）更輕——這是由于水和液態(tài)金屬對(duì)玻璃表面有不同的親和性，當(dāng)接觸到水后，GB-eGaln內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)變?yōu)椴Ａ⒅?水（GB-water），這便引起了密度的變化。 下圖為不同eGaIn體積百分比（?=0%，6%，12%，18%，24%，30%，36%）的GB-eGaIn密度變化（K1，Q25，Q46為空心玻璃微珠的3個(gè)種類）。
2014年5月，劉靜團(tuán)隊(duì)發(fā)表的名為Diverse Transformations of Liquid Metals Between Different Morphologies（不同構(gòu)象之間的液態(tài)金屬多變形性）的論文，揭示了室溫液態(tài)金屬（Room-temperature liquid metal）具有可在不同形態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。 實(shí)際上，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)，GB-eGaln也可保持優(yōu)異的適形性、導(dǎo)電性，可在完全柔軟和堅(jiān)硬的狀態(tài)之間自由切換。據(jù)悉，GB-eGaln可成型為薄片，也可構(gòu)筑成三維立體結(jié)構(gòu)，重復(fù)使用8次后功能無明顯損失（如下圖）。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還將GB-eGaln結(jié)合磁鐵，設(shè)計(jì)了浮力部件，提供開關(guān)和負(fù)載元件的功能。研究團(tuán)隊(duì)表示，有望在不久的將來利用GB-eGaln制造出軟體機(jī)器人及智能水下裝置。 中國(guó)領(lǐng)先世界的液態(tài)金屬 實(shí)際上，我國(guó)在液態(tài)金屬方面領(lǐng)先世界，而與這一成就最密不可分的一個(gè)名字便是劉靜。 劉靜教授是清華大學(xué)較早的一批直博生，1992年本科畢業(yè)后開始專攻生物傳熱學(xué)。 作為入選了中科院、清華大學(xué)“百人計(jì)劃”的生物傳熱學(xué)專家，其研究方向包括低溫生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、常溫及高溫生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、微/納米流體與熱學(xué)技術(shù)、先進(jìn)熱管理技術(shù)、超常規(guī)能源技術(shù)等等。2014年9月，劉靜教授更是在日本京都召開的國(guó)際傳熱大會(huì)上獲得了每4年頒發(fā)一次，每次僅有1名獲獎(jiǎng)?wù)叩膫鳠釋W(xué)界“終身成就獎(jiǎng)”威廉•伯格獎(jiǎng)（The William Begell Medal）。 2001年，劉靜教授的一個(gè)顛覆性想法“液態(tài)金屬在室溫下可以流動(dòng)，那么，為何不能將其與芯片冷卻建立起關(guān)聯(lián)？”幫他打開了“新世界的大門”，隨后不斷引起世界轟動(dòng)。 劉靜團(tuán)隊(duì)近年來在液態(tài)金屬方面取得突破的大致時(shí)間線如下： 2013年，首次發(fā)現(xiàn)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；首次發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在吞食少量鋁后，能自主高速運(yùn)動(dòng)且能變形的奇異行為；通過把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，首次研發(fā)出紙上直接生成電子電路的技術(shù)； 2015年，研發(fā)出世界首臺(tái)自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器，為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器甚至液態(tài)金屬機(jī)器人奠定基礎(chǔ)； 2016年，報(bào)道了一種異常獨(dú)特的液態(tài)金屬固液組合機(jī)器的自激振蕩效應(yīng)，驗(yàn)證了其在藥物遞送方面的潛在價(jià)值；研發(fā)出一種以柔性可變形“車輪”驅(qū)動(dòng)的微型車輛； 2019年，研發(fā)出一種液態(tài)金屬電子紋身，為個(gè)性化醫(yī)療及可穿戴設(shè)備提供新的解決途徑；首次系統(tǒng)地提出了旨在研制未來尖端柔性機(jī)器人的一般原則“液體集成”（I-LIFE），為研制接近動(dòng)物和人體功能的全新一代尖端柔性機(jī)器人打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；報(bào)道了一種全新的功能復(fù)合型腫瘤栓塞劑液態(tài)金屬/海藻酸鈣（LM/CA）水凝膠，可制成具有特定功能的腫瘤制劑。 而對(duì)于已取得的成就，劉靜教授表示： 如果做出來的東西能夠有幸真正為世人所用，哪怕只有一小點(diǎn)，我想那就是最大的滿足和成就了。 |
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