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清華大學(xué)劉靜團(tuán)隊(duì)：提出輕量化液態(tài)金屬物質(zhì)概念并實(shí)現(xiàn)系列多功能材料水上漂

2020-02-21 14:45:33 作者：高分子科學(xué)前沿來源：高分子科學(xué)前沿分享至：

室溫液態(tài)金屬材料，尤其是鎵基合金等低熔點(diǎn)合金，既具備傳統(tǒng)金屬良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性，又擁有常規(guī)液體卓越的流動(dòng)性，近年來逐漸在芯片冷卻、印刷電子、柔性機(jī)器人以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域占據(jù)了日益重要的位置。但與此同時(shí)，液態(tài)金屬材料自身的高密度也給由此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。設(shè)想，若能實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬及其衍生材料的輕量化，將打開若干可望改變游戲規(guī)則的應(yīng)用。

近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授團(tuán)隊(duì)首次提出輕量化液態(tài)金屬物質(zhì)理念，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。在作者們展示的一類由空心玻璃微珠與液態(tài)金屬構(gòu)成的代表性復(fù)合材料（簡稱GB-eGaIn）中（圖1），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，這使其擁有了身輕如燕以至可漂浮于水面的能力；而且，根據(jù)實(shí)際需求，此類終端材料的密度可在較寬范圍予以設(shè)計(jì)調(diào)控。除了繼承有液態(tài)金屬良好的導(dǎo)電性及相變特性外，這樣的輕型材料還具備優(yōu)異的可塑性，由此可顯著拓展液態(tài)金屬材料的應(yīng)用場合。

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圖1. 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-eGaIn

輕量化液態(tài)金屬復(fù)合材料的制備過程十分簡捷（圖2）。一種典型途徑是，基于鎵銦合金表面氧化膜與玻璃表面良好的親和性，可借助機(jī)械攪拌方法將其與空心玻璃微珠迅速結(jié)合，形成均勻、穩(wěn)定、可塑的混合物。通過改變玻璃微珠種類及其與鎵銦合金的配比，研究者們制備出了密度從0.448g/cm3到2.010 g/cm3不等的一系列GB-eGaIn材料，并對各配比情況下GB-eGaIn材料的結(jié)合力與電阻率等進(jìn)行了測量（圖2）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著液態(tài)金屬含量的增多，復(fù)合材料的密度逐漸提高，導(dǎo)電性和內(nèi)部結(jié)合力也對應(yīng)增強(qiáng)，為不同應(yīng)用情景提供了豐富的材料選項(xiàng)。研究者們還具體針對GB-eGaIn的基本性質(zhì)，演示了平面結(jié)構(gòu)與立體結(jié)構(gòu)兩種典型應(yīng)用場景。

圖2. 輕量化液態(tài)金屬復(fù)合材料的相關(guān)性質(zhì)

1. 平面結(jié)構(gòu)器件及其應(yīng)用

基于GB-eGaIn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，并實(shí)現(xiàn)卷曲、折疊等行為，獨(dú)立的兩片材料還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)。得益于液態(tài)金屬優(yōu)良的室溫固液相變性質(zhì)，GB-eGaIn也可通過溫度調(diào)控在可塑性的柔性狀態(tài)及可承重的剛性狀態(tài)下自由切換，這樣，即便是薄片也能實(shí)現(xiàn)良好的承重性能（圖3）。

圖3. 平面GB-eGaIn材料的力學(xué)及電學(xué)性質(zhì)

2. 漂浮性能調(diào)控

由于水和液態(tài)金屬對玻璃表面親和性不同，當(dāng)接觸到水后，GB-eGaIn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（圖4）。研究者們利用這一特性為GB-eGaIn薄片設(shè)計(jì)了差異性封裝結(jié)構(gòu)，由此可通過在未封裝部位加入少量的水對其漂浮行為加以調(diào)控；并基于這一特性設(shè)計(jì)了水面漂浮開關(guān)，為其在水環(huán)境中的電路應(yīng)用提供了可能（圖5c）。沉沒后的GB-eGaIn，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)，由此實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

圖4. 水對GB-eGaIn材料結(jié)構(gòu)的影響

圖5. 平面GB-eGaIn的漂浮行為及其在水中的電學(xué)特性

3. 3D結(jié)構(gòu)器件及其應(yīng)用

除了用于構(gòu)建平面結(jié)構(gòu)外，GB-eGaIn也可輕松地借助模具或手工制作成特定三維形態(tài)（圖6a）。塑形好的GB-eGaIn器件在經(jīng)過PU膜的防水封裝后，可作為漂浮器件應(yīng)用于水中，其承重能力可達(dá)自身重量的8倍。類似于片狀結(jié)構(gòu)，三維GB-eGaIn器件也可以通過加水或破壞其封裝材料對其漂浮性能予以調(diào)控，由此實(shí)現(xiàn)漂浮、懸浮及沉沒等行為（圖6c）。基于這些性質(zhì)，研究者在該元件上附加了磁鐵單元，借助磁場作用實(shí)現(xiàn)了對該器件的運(yùn)動(dòng)調(diào)控使其到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)（圖6e），由此完成對其漂浮行為的控制。

圖6. 三維GB-eGaIn構(gòu)件及其在水中的應(yīng)用特性

以上成果以“輕量化液態(tài)金屬物”（Lightweight Liquid Metal Entity）為題在線發(fā)表于國際知名期刊Advanced Functional Materials上（https://doi.org/10.1002/adfm.201910709），清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院2016級(jí)博士生袁博為本文第一作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授、中科院理化技術(shù)研究所雙聘研究員劉靜為本文通訊作者。

感謝國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（No.91748206）的資助！

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