一說到液態(tài)金屬，液態(tài)科幻迷們就能立馬想到電影《終結(jié)者》系列中的金屬進(jìn)步堅不可摧的液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000，這種可自由變換形態(tài)的大顯機(jī)器人展現(xiàn)出了液態(tài)金屬所具的特性：液態(tài)的流動性、非晶金屬的神通高強(qiáng)度，可自我修復(fù)損傷等。終結(jié)者更

（圖片來源自《終結(jié)者》劇照）

在現(xiàn)實(shí)中，材料液態(tài)金屬通常使用鎵、液態(tài)銣、金屬進(jìn)步銫等低熔點(diǎn)金屬的大顯共晶合金，作為一種正離子流體和自由電子氣組成的神通混合物，液態(tài)金屬不僅具有液態(tài)金屬機(jī)器人的終結(jié)者更奇特性能，因?yàn)槠洳欢ㄐ偷牟牧弦后w形態(tài)還具有極佳的電性能、熱力學(xué)性能等，液態(tài)因此在仿生機(jī)器人、金屬進(jìn)步藥物輸送、大顯集成電路設(shè)計、柔性電子產(chǎn)品領(lǐng)域等具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

鎵的熔點(diǎn)只有29℃，可被人手熔化（圖片來源自網(wǎng)絡(luò)）

最近，國內(nèi)兩個團(tuán)隊分別發(fā)表液態(tài)金屬最新研究，將這種神奇材料再次帶入到大家的視野，使液態(tài)金屬距離實(shí)現(xiàn)《終結(jié)者》中的液態(tài)機(jī)器人更近了一步。

一種可快速實(shí)現(xiàn)固液可逆轉(zhuǎn)換的磁流體夾持器

磁場可對鐵磁性材料實(shí)現(xiàn)靈巧、精確和實(shí)時的控制。然而，對于大多數(shù)材料，如玻璃、有機(jī)物和金屬，都是非磁性的，通常對磁場沒有反應(yīng)。

最近，來自清華大學(xué)、中科院理化所等的Hongzhang Wang（汪鴻章）團(tuán)隊報道了一種磁場操控非磁性物體的方法，通過將磁性鐵顆粒混入純鎵中制成的過渡態(tài)磁流體 (transitional ferrofluid，TF)，?這種液態(tài)金屬TF在磁場控制的可逆固液相變過程中可對任意物體產(chǎn)生互鎖力，從而實(shí)現(xiàn)對非磁性物體的磁操縱。

圖4：過渡態(tài)磁流體TF的可逆相變及其制造方法。（a）TF的固液可逆相變。（b）通過TF的相變展示非磁性物體的可轉(zhuǎn)換磁性抓取。（I）在液態(tài)（T>T_m?= 29.8 °C）下，可變形的 TF 可以與目標(biāo)物體緊密接觸；（II）TF在室溫下固化（T=25°C < T_m）并緊密聯(lián)鎖嵌入物體，無需外部能量消耗；（III）利用TF的磁性，可以通過磁場遠(yuǎn)程抓取嵌入的物體；（IV）運(yùn)送到指定地點(diǎn)后，通過在適度加熱再次熔化TF，使物體脫離。（f）由橡膠和TF制成的人造手可以模仿真手的不同手勢，并可通過融化和固化TF，重新抓取水果。（g）固化后的TF與玻璃之間具有很強(qiáng)的附著力，并產(chǎn)生能懸掛500 g重量的互鎖力。（h）制造過渡鐵磁流體的基本程序。（i）不同濃度的TF和HCl的生產(chǎn)率曲線。（j）不同HCl濃度下鎵與的鐵瓶之間的接觸角曲線，比例尺為?2 毫米。

該液體金屬TF制成的夾持器可以與任意形狀的物體緊密接觸，然后在室溫（25℃）固化后產(chǎn)生高達(dá)1168 N（僅使用10 g TF）的強(qiáng)大互鎖力，并且可以通過電磁感應(yīng)加熱融化（熔點(diǎn)Tm為29.8℃）來可逆解除（F?< 0.01 N）。抓取非磁性物體的模式分為：嵌入或涂層（液體）和互鎖或粘附（固體）。因此，可以通過TF的相變實(shí)現(xiàn)對任意形狀物體的磁性操縱，而無需對目標(biāo)物體進(jìn)行其他處理。

視頻來自論文支持信息

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與純鎵相比，TF的熔化和凝固過程均得到增強(qiáng)，提高了抓取和釋放的工作效率，這歸因于鎵中分散的鐵顆粒。這項(xiàng)研究有望給軟體機(jī)器人、遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)、藥物輸送和液體夾持器的可逆磁驅(qū)動方面提供眾多潛在應(yīng)用。

而劉靜研究員，作為這篇文章的共同通訊作者，早在2015年就帶領(lǐng)中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組，在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”的研究論文，實(shí)現(xiàn)了世界首臺無需外部電力的自主運(yùn)動液態(tài)金屬機(jī)器，并迅速被Nature研究亮點(diǎn)、Science新聞、New Scientist等數(shù)十個知名科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站專題報道，被外媒形容為制造出“終結(jié)者”機(jī)器人，在國際上引起劇烈反響和熱議。

劉靜研究員當(dāng)年的文章被作為了期刊封面

液態(tài)金屬納米粒子的尺寸決定導(dǎo)電/介電功能

可拉伸功能材料最近受到廣泛關(guān)注，因?yàn)樗鼈儚V泛用于可變形電子設(shè)備，從機(jī)器人傳感皮膚和可穿戴通信電子設(shè)備到生物集成設(shè)備。

制備可拉伸功能材料最有前途的方法是將功能填料嵌入彈性體中，從而將無機(jī)功能的互補(bǔ)優(yōu)勢與彈性體的機(jī)械拉伸性相結(jié)合。而液態(tài)金屬 (LM)，特別是共晶鎵銦 (EGaIn)，似乎是解決功能性和可拉伸性之間權(quán)衡的最有希望的候選者。

南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院梁嘉杰團(tuán)隊使用一系列具有不同肖氏硬度的各種聚氨酯和不同直徑的液態(tài)金屬納米粒子 (LMNP)制成的彈性體/LMNPs復(fù)合材料，系統(tǒng)地研究液態(tài)金屬顆粒的斷裂應(yīng)力與直徑之間的關(guān)系。制造了基于液態(tài)金屬的超穩(wěn)定、高彈性和高導(dǎo)電性的可拉伸電極。

該液態(tài)金屬顆粒有內(nèi)部的高導(dǎo)電液態(tài)金屬和外部的絕緣氧化物Ga2O3殼組成。當(dāng)外部應(yīng)力大于絕緣氧化物的破碎應(yīng)力時，液態(tài)金屬顆粒破碎、融合，在材料內(nèi)部形成豐富的導(dǎo)電通路；當(dāng)外部應(yīng)力小于絕緣氧化物的破碎應(yīng)力時，液態(tài)金屬顆粒保持完整，提高復(fù)合材料的介電常數(shù)與電容性能。該成果以“Rupture stress of liquid metal nanoparticles and their applications in stretchable conductors and dielectrics”為題發(fā)表在npj Flexible Electronics?上。

圖6：(a) 液態(tài)金屬納米顆粒的制備過程及其核殼結(jié)構(gòu)。(b) LMNPs-1.4與LMNPs-0.3分別應(yīng)用于制備可拉伸電極與可拉伸絕緣材料工作原理示意圖。

研究人員通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計算建立了不同肖氏硬度彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與不同直徑的LMNPs的斷裂應(yīng)力之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著液態(tài)金屬納米顆粒尺寸增加，破碎應(yīng)力逐漸變小。

圖7：（a）液態(tài)金屬納米顆粒破碎應(yīng)力與直徑的關(guān)系。(b) 50%LMNPs-1.4/85PU與50%LMNPs-0.3/85PU破碎應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)值與理論值。(c) 50%LMNPs-1.4/65PU與50%LMNPs-0.3/65PU破碎應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)值與理論值。

根據(jù)計算結(jié)果提供的指導(dǎo)，研究團(tuán)隊采用聚結(jié)的破碎LMNPs 1.4制造了基于液態(tài)金屬的、超穩(wěn)定、高彈性和高導(dǎo)電性的電極。

作為可拉伸導(dǎo)體，85% LMNPs-1.4/85PU復(fù)合材料展示了大的拉伸性 (>500%) 和高導(dǎo)電性（0% 應(yīng)變時為11702 S·cm^-1，500% 應(yīng)變時為24130 S·cm^-1）。

此外，通過使用完整的LMNPs-0.3制造了具有高介電常數(shù)和比電容的介電薄膜。作為介電層，50% LMNPs-0.3/55PU介電膜在580%應(yīng)變下仍可保持絕緣態(tài)。與空白對照相比，比

電容和介電常數(shù)分別達(dá)到?64.7 nF·cm^-2和76.8，分別增強(qiáng)了1200%和1240%。

圖8. (a) 85%LMNPs-1.4/85PU拉伸狀態(tài)下的電導(dǎo)率與拉伸應(yīng)變的關(guān)系，(b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，(c) 85%LMNPs-1.4/85PU在300%應(yīng)變、不同速度(0.12 Hz, 0.16 Hz, 0.24 Hz, 0.30 Hz, 和 0.01Hz)下循環(huán)20000次過程中的電阻變化。

圖9：基于液態(tài)金屬的可拉伸電介質(zhì)的電學(xué)性能。（a）在10-100 kHz下LMNPs-0.3/55PU與不同體積配比LMNPs-0.3的比電容和耗散的比較。(b) 在100 kHz頻率下，不同液態(tài)金屬添加量LMNPs-0.3/55PU的介電常數(shù)。(c) 在10-100 kHz頻率范圍內(nèi)，50%LMNPs-0.3/55PU在不同應(yīng)變下的電容變化。(d) 100%應(yīng)變下拉伸1,000次過程中，50%LMNPs-0.3/55PU的電容與損耗變化。

疲勞測量表明介電薄膜在100%應(yīng)變下可穩(wěn)定循環(huán)1000次。這證明了LMNPs-0.3在電介質(zhì)內(nèi)的高穩(wěn)定性，并進(jìn)一步證實(shí)了計算提供的指導(dǎo)的準(zhǔn)確性。

總之，該研究結(jié)果將指導(dǎo)液態(tài)金屬的系統(tǒng)研究，并推動下一代可拉伸變形電子學(xué)的發(fā)展。目前液態(tài)金屬材料及其應(yīng)用正處于蓄勢待發(fā)的階段，將為眾多領(lǐng)域帶來全新的變革。

原文鏈接

[1] Wang H, Chen S, Li H, et al. A Liquid Gripper Based on Phase Transitional Metallic Ferrofluid[J]. Advanced Functional Materials, 2021: 2100274.

[2] Liu Y, Ji X, Liang J. Rupture stress of liquid metal nanoparticles and their applications in stretchable conductors and dielectrics[J]. npj Flexible Electronics, 2021, 5(1): 1-7.

本文由Silas供稿。