科研人員展示液態(tài)金屬的流動性。(圖片來源:視覺中國)
近日,清華大學(xué)與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的聯(lián)合研究小組首次創(chuàng)制出一種水相液態(tài)金屬物質(zhì),展示了一系列獨(dú)特的類生物組織與器官的節(jié)律行為,為人工生物組織的創(chuàng)制提供了全新的物質(zhì)基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在《物質(zhì)》雜志上。
在由工信部和國務(wù)院國資委聯(lián)合發(fā)布的第一批前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄中,液態(tài)金屬位列其中?!半S著室溫液態(tài)金屬的一系列革命性應(yīng)用,這類以往只被零星研究或只在特殊領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注的材料逐漸進(jìn)入公眾視野。液態(tài)金屬促成了若干新科學(xué)發(fā)現(xiàn),也打開了傳統(tǒng)技術(shù)的變革大門?!蔽恼峦ㄓ嵶髡摺⑶迦A大學(xué)教授、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員劉靜表示。
集兩種截然不同的性質(zhì)于一身
“金屬是地球上最豐富也是最重要的材料之一。在元素周期表中,118個元素中超過90個是金屬元素。大部分金屬具有較高的熔點(diǎn),在室溫下呈固態(tài)。但在元素周期表中,還存在著一類特殊的金屬,它們的熔點(diǎn)比較低,如銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)、汞(Hg)和鎵(Ga),這類熔點(diǎn)在室溫附近的金屬或合金材料被稱為室溫液態(tài)金屬?!敝袊茖W(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員李潤偉對記者解釋,銣、銫、鈁的放射性和高化學(xué)活潑性以及汞的易揮發(fā)性和高毒性,限制了它們在實(shí)際生活中的應(yīng)用。鎵基/鉍基/銦基/錫基金屬及其合金等,是目前研究和應(yīng)用最為普遍的液態(tài)金屬材料。
李潤偉表示,液態(tài)金屬在室溫下既展現(xiàn)出像水一樣可變形、可重構(gòu)的流體特性,同時又表現(xiàn)出高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的金屬特性,是一類物理化學(xué)性質(zhì)十分新奇的新型功能材料,在基礎(chǔ)科學(xué)研究和前沿技術(shù)開發(fā)中都擁有極為豐富的探索空間。他進(jìn)一步解釋,以鎵為例,其具有極寬液相區(qū)(熔點(diǎn)29.76℃、沸點(diǎn)2403℃)、極低飽和蒸氣壓、無毒以及較好生物相容性等特點(diǎn)。
此外液態(tài)金屬有巨大的表面張力,例如鎵基液態(tài)金屬的表面張力約為水的10倍,巨大的表面張力使液態(tài)金屬傾向于縮成球形液滴。鎵基液態(tài)金屬的另外一個重要屬性是極易氧化并形成納米級氧化物表皮,表面氧化層“皮膚”一旦形成,其表面張力會大幅降低,而氧化層一旦被去掉,高表面張力又會立刻恢復(fù)。通過電或化學(xué)的手段,調(diào)節(jié)液滴表面張力,可以實(shí)現(xiàn)液滴大尺度變形、定向運(yùn)動、滲透等。此外氧化層“皮膚”賦予鎵基液態(tài)金屬流體性質(zhì)的同時,還賦予其一定的機(jī)械性能,并使其潤濕和黏附行為發(fā)生改變,為實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電子器件的圖案化創(chuàng)造了條件。
帶動新技術(shù)應(yīng)用體系構(gòu)建
如今,液態(tài)金屬正帶動新一代信息技術(shù)、新能源、先進(jìn)制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所液態(tài)金屬中心主任鄧中山介紹,2002年,中國團(tuán)隊(duì)首次提出將低熔點(diǎn)金屬,特別是鎵基液態(tài)金屬流體用于芯片冷卻,從此開啟了這類高安全性室溫液態(tài)金屬的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。此后,我國又相繼開創(chuàng)了液態(tài)金屬在功能材料、熱控與能源、印刷電子與3D打印、生物醫(yī)學(xué)、可變形機(jī)器等多個領(lǐng)域的研究,系統(tǒng)建立了相應(yīng)方向的理論與應(yīng)用技術(shù)體系,創(chuàng)建了全新的液態(tài)金屬工業(yè),并推動其發(fā)展,使液態(tài)金屬從最初的冷門領(lǐng)域發(fā)展成備受矚目的重大科技前沿。
據(jù)鄧中山介紹,液態(tài)金屬作為同時兼具流動性、高導(dǎo)熱性、高體積相變潛熱的材料,為先進(jìn)散熱技術(shù)帶來了顛覆性變革。例如,液態(tài)金屬通過浸潤性改性后制備的熱界面材料,其熱阻遠(yuǎn)低于現(xiàn)有硅脂基熱界面材料;將液態(tài)金屬作為流體散熱介質(zhì),其換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有液冷技術(shù)能達(dá)到的換熱系數(shù);將液態(tài)金屬(低熔點(diǎn)合金)作為相變熱控材料,其具有傳熱迅速、單位體積相變潛熱大、相變材料內(nèi)溫度梯度小、相變前后體積變化小等顯著優(yōu)勢。
“由于兼具各種綜合優(yōu)勢,液態(tài)金屬有望成為理想的超高功率密度散熱材料,并帶動構(gòu)建嶄新的技術(shù)應(yīng)用體系。”鄧中山評價。
同時,由于液態(tài)金屬是一種液體導(dǎo)電材料,因此可以利用印刷(涂布)工藝將其制造為柔性化、薄膜輕質(zhì)化、表面共形化電子線路及器件,并有望與規(guī)?;a(chǎn)方式相結(jié)合。液態(tài)金屬還可與其他材料結(jié)合應(yīng)用在“剛?cè)嵯酀?jì)”的機(jī)器人上,構(gòu)建全新概念的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)。
產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化進(jìn)入快速發(fā)展階段
“當(dāng)前,世界科技正處于革命性變革的新階段,液態(tài)金屬堪稱催生突破性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)變革的‘科技航母’?!眲㈧o介紹。
李潤偉表示,憑借新奇的特性,液態(tài)金屬在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景,成為具有重大工業(yè)應(yīng)用價值和國家戰(zhàn)略意義的新材料。雖然早在2000年以前,美國和日本就開始了對液態(tài)金屬的研究,但研究主要集中于汞、鈉鉀合金類材料,旨在解決特殊領(lǐng)域如核反應(yīng)堆散熱等問題。
液態(tài)金屬同時也是我國資源稟賦比較突出的材料。如鎵基合金、鉍基合金等的研究和大規(guī)模應(yīng)用都發(fā)端于中國,自本世紀(jì)初開始,該材料的應(yīng)用已陸續(xù)推進(jìn)到我國熱控能源、電子制造、生物醫(yī)療、柔性機(jī)器人、化學(xué)化工、機(jī)械加工等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域?!澳壳拔覈谝簯B(tài)金屬及其器件應(yīng)用方面已經(jīng)形成了較為完備的布局,建立了完善的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推廣體系?!崩顫檪フf。
鄧中山表示,近年來,我國在液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)入快速發(fā)展階段,居國際領(lǐng)先水平,已孵化出一系列在世界上處于領(lǐng)先地位或填補(bǔ)空白的液態(tài)金屬高新技術(shù)企業(yè)。
李潤偉同樣提到,隨著云南液態(tài)金屬谷產(chǎn)業(yè)集群的建立,以及北京夢之墨、寧波韌和科技等企業(yè)的涌現(xiàn),我國液態(tài)金屬在工業(yè)化驗(yàn)證、國家標(biāo)準(zhǔn)建立、彈性傳感器等領(lǐng)域已經(jīng)形成特色。這些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的努力,使液態(tài)金屬在工業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用方面取得了重要的進(jìn)展,為我國在液態(tài)金屬應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的動力。(記者崔爽)
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