液态金属无尽的科学与技术前沿

　　作者刘静
　　随着常温液态金属一系列革命性应用的发现，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，促成了若干新科学发现，也打开了诸多变革传统技术的大门，正孕育着无尽的科学与技术前沿。
　　液态金属泛指处于液态的金属，传统意义上是指熔点在数百摄氏度甚至更高的金属的熔炼和加工成型方面的内容，研究相对成熟。当前在世界范围引发广泛瞩目，已成重大科学热点的主要是常温液态金属，通常指熔点在室温附近的金属或合金。
　　常温液态金属，令人惊异的物质存在
　　深究之下，不禁感叹常温液态金属在自然界的存在令人惊异。在元素周期表118个元素中，非金属只占22种，而金属则高达96种。然而在如此多的金属中，只有零星几种在常温下处于液态，如31号元素镓（Ga，熔点29。76）、37号元素铷（Rb，熔点38。89）、55号元素铯（Cs，熔点28。44）、80号元素汞（Hg，熔点38。86）以及87号元素钫（Fr，熔点27），其余金属熔点多在上百摄氏度乃至更高。在这5种金属中，汞最为人所知，其现代最典型应用是基于液态汞的体温计、血压计、电极、旋转镜面天文望远镜，基于气态汞的日光灯，基于合金化的补牙用汞齐，以及由混合物制成的汞、丹砂杀菌药材等，但由于汞在常温下极易弥散出剧毒性蒸气，致使其制作和使用存在大的风险，因而在日常生活中正逐步被禁用。铷、铯、钫具有放射性，三者与钠钾合金（K78Na22，熔点11C）均极为活泼，易于与水甚至冰发生剧烈反应，产生爆炸，因而只能用在特殊场合。在整个周期表中，镓的安全无毒和综合优势都是极为罕见的，其巨大而广泛的应用价值与已有声望并不相符，可以说是最被严重忽视的元素之一，今天许多关于液态金属的研究与应用正是从镓开始的〔1〕。
　　再从物态调控及应用角度看，可进一步体会到常温液态金属存在的独特性。物质通常存在固、液、气三相。固态物质往往有着一成不变的形状和体积，质地坚硬，一般分为晶体和非晶体，前者由于内部周期性结构所致具有固定的熔化温度，后者则不具备这样的长程有序，因而并无固定的熔化温度，也因此被称为玻璃态。液态物质是指处于液体状态、无固定形状，可以流动和变形的物质。从这一点看，液态与非晶态类似，因而也有人将非晶态金属称作液态金属，但实际上其在常温下仍是固态。气态与液态有些类似，但扩散力强、体积不受限制。由于在生产生活中发挥作用的一切器具都需要经历一个从原材料到终端器件与系统的加工过程，其间材料会根据需要在不同物态间转换，如借助熔化和凝固成型可制得金属器具，通过气相沉积可获得各种金属和非金属功能涂层等。传统上，这些过程要么需要经过高温处理，要么依赖于纷繁复杂的物理化学过程，使用起来十分繁琐。这样就引申出一个极为重大的技术概念和现实需求，就是常温制造；而若要实现电子、光学、磁学、半导体等功能化，金属的采用往往不可或缺。由于常温液态金属无需高温冶炼，安全无毒，易于在常温下实现各种物态、功能态的转化，因而大大缩短了从原材料到终端器件的距离乃至逆向的循环利用渠道。
　　当前，整个液态金属研究和应用的大门正被徐徐打开，正处于产业的开端。
　　液态金属家族中的材料之星
　　作为当前明星般存在的液态金属镓，虽然早在100多年前就被发现，但长期未被重视。镓以往主要以化合物方式得到应用，如氮化镓、砷化镓、磷化镓等均是经典的半导体材料，但因使用总量小，镓的开采量一度远高于需求，我国有关企业曾因此关停并转，对应市场也出现大幅度上下波动。镓真正的普及化应用和研究直到近20年来才开始，由于使用极为便利，由此打开了广阔的科技与工业领域，并激发出对更多液态金属的探索，为此业界也将此赞誉为人类利用金属的第二次革命。如今回顾起来，常温液态金属之所以长期藏在深山无人知，原因之一或许是汞这类传统液态金属的毒性和危险性让人望而却步，另一因素也或许是镓等相关材料被归为稀散金属、价格相对昂贵所致，事实上这类金属在地球上的丰度并不低，性价比极高，足以保障远多于当前的全面应用。
　　除了单质呈液态的金属外，可供大量使用的液态金属还可从合金中寻找，如铋、铟、锡、锌等自身熔点虽在150以上，但通过适当配比，可以制得常温液态合金，且种类还可不断丰富。21世纪以来，随着诸多发明的出现，镓基、铋基合金这类以往只被零星研究或只在特殊领域引发关注的常温液态金属逐渐进入人们视野，揭开了许多非凡的物质科学属性，也打开了诸多变革传统的技术大门，可以说它们是液态金属家族中的材料之星，而且它们一经与各种材料结合，还可促成无数的材料革新。
　　元素周期表中常温单质液态金属及其可组成常温液态合金的金属（a）处于不同温区的潜在液态金属；（b）常温液态金属；（c）液态金属组元。
　　当前所能得到的液态金属还比较有限，能够全面满足成本、安全性和功能要求的可用材料和种类还需大大丰富，而用于合成液态金属材料的更多元素组成也亟待挖掘。为应对上述挑战，笔者实验室曾于2013年提出液态金属材料基因组研究倡议〔2〕，旨在发现新的低熔点合金，以满足各种需求，这涉及材料设计、相图计算、第一性原理计算、统计热力学、分子动力学等范畴以及对应的并行试验策略等。
　　空间无限的液态金属物质科学
　　液态金属超常物质特性
　　液态金属各种单质、合金或其衍生材料，有着诸多令人匪夷所思的新奇物质特性。特别是在智能材料、柔性机器人领域，液态金属一系列独特科学现象与效应的发现〔1〕，改变了学术界对于传统物质及经典物理学的认识。其中，可变形液态金属现象的发现，被认为预示着柔性机器人新纪元将到来；而液态金属自驱动现象的揭开，则迎来了对人工生命的全新理解。
　　液态金属物质软化机制
　　液态金属是典型的软物质，若能实现对更多金属的常温液化和软化，则有重大的理论意义和实践价值。笔者实验室曾为此提出了一种通用的软化目标物质的理论策略和潜在技术途径，通过在原子水平上调控物质的内边界，可以显著降低物质熔点，这将有助于研制更多的软物质。
　　液态金属催生丰富的界面科学
　　液态金属由于同时兼有金属性和固有的流体性质而表现出迷人的特性，其与不同气体、液体和固体之间相互作用会发生令人惊异的化学行为〔3〕，这些基本效应的揭示在化学合成、能量转换、柔性机器和印刷电子等方面具有重大用途。就如生物需要水分一样，液态金属由于溶液体系的引入，迎来一系列独特机器效应与现象的发现；液态金属与特定气体发生反应形成的薄膜，具有一系列材料效应包括半导体效应；而液态金属与各种金属或非金属固体发生合金化或渗透行为，促成了新材料的改性和应用。
　　液态金属正重塑现代电子工程学
　　液态金属在电子工程领域的重大应用体现在印刷电子学、柔性电子、生物医学电子等方面。核心制造材料目前主要以镓、铋及其合金为代表，具有优异的电阻率、巨大的拉伸性弯曲性、可调附着力和表面张力。制造方面则涉及从个人电子制造（直接绘画或书写、机械印刷、丝网印刷、纳米印刷等）到三维印刷的一系列突破〔4〕。未来液态金属印刷电子在集成电路、微纳电子器件乃至终端用户电子产品直接制造中将发挥极为广泛的作用。
　　液态金属开启极端散热全新模式
　　21世纪初诞生的液态金属芯片冷却方法〔5〕，为打破高集成度器件热障及已有技术面临的瓶颈开辟了革命性途径。由于低熔点金属如镓或其合金，其导热系数比传统冷却剂大得多，在较宽温度范围内能保持液相，是一系列极端散热的终极选择。当前典型方向为：一是作为热界面材料，降低相邻接触物体之间的导热阻力；二是作为流动冷却剂，显著强化对流传热；三是液态金属与匹配溶液实现混合冷却；四是低熔点金属用于相变吸热或储能；五是助力高通量芯片冷却或热管理等。
　　常温液态金属在不同介质中的界面效应
　　液态金属磁学科学
　　由液态金属制成的磁性纳米流体具有比传统流体优越的导热性或导电性，且能够在高温下保持稳定。此外，液态金属磁学的范畴并不只限于此，近期研究发现〔6〕，其自旋液滴电子本身就是磁体，当溶液中的液态金属（如镓合金）在电场作用下或通过吞食其他金属发生旋转时，其内部形成内生磁场，这种不同于传统刚性物质的全液态磁体可望构筑磁单极子。
　　流态化液态金属催化科学
　　液态金属作为流动催化剂为材料科学家提供了新的研发机会，正促成一系列非常规方法的建立。液态金属催化剂包括液相催化剂、光催化剂、多相催化剂和双金属催化剂，以及基于液态金属金属氧化物框架的催化剂。液态金属系统的典型催化应用包括石墨烯薄膜、纳米带、碳纳米管的生长、腐蚀性全氟辛酸的光催化降解、水分解、二氧化碳还原，以及丁烷或乙炔脱氢、甲醇蒸汽重整和铁氰化钾还原等。
　　无边界的液态金属复合材料学
　　纯液态金属或其合金在某些应用中会遇到一定瓶颈，作为一种替代，液态金属复合材料有望解决这一挑战〔7〕，通过将液态金属与各种宏观或微观的匹配材料协同集成，可设计出一系列新的目标材料，此方面可供探索的科学范畴十分广泛，可望发现新材料，未来将见证成千上万种液态金属复合材料的涌现。
　　液态金属微纳米材料学
　　一些情况下，宏观液态金属会因自身高表面张力和大尺寸在灵活性上受到限制。为应对这一挑战，可通过微纳米技术手段进行创新，以赋予液态金属更加多样化的性能〔8〕。与传统刚性微纳米材料不同的是，这些新型功能材料不仅具有液态金属的柔软性，还表现出诸多优异的性能，如良好的自愈合能力和对刺激响应的变形能力，已展示诸多应用机遇和前景。
　　液态金属复合材料典型类型
　　液态金属量子原子科学
　　迄今为止，几乎所有的量子器件均由刚体材料制成，其形状无法变形、分割，一旦制备出来，一般只能按特定结构实现对应功能。若采用液态金属及其对应材料将量子器件予以液态化，则可望实现全新概念的液态量子器件〔9〕。通过对液态金属以及相应的二维材料、量子材料及拓扑材料予以操控，可望获得各种可变形量子效应器件，由此实现不同于传统刚体系统的量子存储、计算与人工智能系统等。甚至，液态金属也可为高能物理试验提供理想的低成本研究对象，比如采用高能粒子束轰击常温金属液滴，或更易于激发出相应的微观粒子，这将降低试验成本乃至加速基础发现。
　　液态金属生物医学科学
　　传统的生物材料，如坚硬金属、聚合物、复合材料和陶瓷，在面临某些严峻的医学挑战时可能无法正常工作。作为替代方案，常温液态金属作为新一代功能材料，已显示出许多优于传统生物材料的非常规特性，正在成为一个崭新的生物医学材料类别，此方面近年来取得的基础性发现和技术进步正在促成有关新型治疗和诊断方法的建立，为打破一些现代生物医学难题面临的瓶颈提供了富有前景的解决方案。
　　液态金属空间科学
　　随着深空探测和商业飞行的快速发展，出现了一系列严峻的挑战，迫切需要更先进的技术来应对。液态金属在地球上取得的突破，也为解决空间环境中的极端问题提供了有希望的手段。然而，在微重力环境中，液态金属的许多物理化学行为可能会发生改变。为此，有必要探索空间与地球上的液态金属由于重力效应引发的各种基本问题和实际应用差异，从而更好地推动空间科学与技术的进步。
　　机遇与挑战
　　众所周知，人类对技术的终极追求就是制造一切，其中的关键在于功能制造，而电子器件又首当其冲，已有的电子制造方法大多昂贵、耗时、耗材及耗能。液态金属印刷电子学的出现〔4〕，被业界普遍认为，找到了室温下直接制造电子的方法，就意味着打开了极为广阔的应用空间乃至通过家用打印机制造电子器件的大门。这一全新的电子制造模式，打破了传统技术的瓶颈和壁垒，使得在低成本下快速、随意地制作个性化电子电路特别是柔性功能器件成为现实，预示着一个人人触手可及的电子制造时代的到来。
　　除了电子制造，液态金属还赋予了我们各种重大技术畅想。比如在先进能源与动力系统如航空发动机冷却方面，由于液态金属直到2000C以上还处于液态，因而飞机发动机叶片冷却可望迎来全新解决方案。在生物医学健康领域，可发展出一系列超越传统的诊断与治疗技术，如液态金属仿生器官、电子皮肤等。而在仿人机器人方面，类似于科幻电影《终结者》中的机器人那样的液态金属可变形机器人正被逐步探索。在超常规信息技术方面，液态金属可变形计算机乃至量子计算机正开启重大机遇。正如人类历史文明启示的那样：一类材料，一个时代。如果说可以像历史上那样用金属去刻画一个时代的话，液态金属或可部分用以定义其即将到来的新时代，即液态金属时代。
　　2017年9月，在中国科协新观点新学说专项支持下，题为常温液态金属：将如何改变未来的学术沙龙于北京举办，来自学术界、产业界及战略研究等领域的专家学者齐聚一堂，展开了不设限的热烈探讨，各种观点的碰撞激发出了新的思想火花，汇集了专家们在材料学、物理学、化学、热学、电子学、生物医学以及柔性机器人等方面交流观点和思考脉络的文集也得以出版〔10〕，展示了经过深入讨论所凝练出的若干个液态金属新概念（如液态金属量子计算机）、新效应（如液态金属类生命现象）、新观点（如液态金属可变形机器人）等。
　　正是在此次会议上，笔者应邀就液态金属：无尽的前沿、液态金属：构筑全新的柔性智能机器人以及液态金属：变革传统的未来医学技术3个专题进行了解读，并特别总结了液态金属物质科学面临的10个基础问题：决定液态金属熔点的要素及固液相变机制；液态金属软物质特性；液态金属多相体系奇异流体动力学问题；液态金属超高表面张力的成因；液态金属空间构象转换机理；液态金属外场作用下的宏微观特性及量子效应；液态金属与其他材料的界面作用机制；液态金属微重力效应；液态金属多材料合金体系组合规律；自驱动液态金属机器效应。报告最后笔者特别用液态金属：即将爆发的科学予以结束。事实上，这一结语已完全被最近几年全球范围的液态金属研发热潮加以证实，从大量论文短时间爆发就可看出。
　　不过，也应指出的是，任何新生事物的发展并非总是一帆风顺的，这可从液态金属印刷电子学从概念孕育到工业化实践中呈现出的波动性和渐进性特点略见一斑〔4〕。实际上，这种情况几乎发生在液态金属产业的所有领域，正确的态度是适应波折中的渐进发展。随着研发的持续投入、技术的日益成熟和产品化不断验证，各新兴领域总会迎来其辉煌的高峰期。
　　液态金属印刷电子学从概念孕育到工业化发展路径
　　当前，世界科技正处于革命性变革的新阶段，以物质、能量、生物和信息为特征的液态金属前沿学科堪称催生突破性发现和技术变革的科技航母。液态金属科学前沿涉及液态金属物质属性的方方面面，如：电学、磁学、声学、光学、热学、流体、力学、化学、生物医学、传感、柔性可变形机器效应等，已展示出诸多可供探索的途径和新方向。对这一领域的重要主题，如：液态金属材料及其物质基本属性、表面和界面物理特性、流体效应、驱动机制、热学效应、电学效应、磁学效应、化学效应、力学效应、光学效应、传感效应、柔性可变形机器效应、生物学效应以及各种衍生出的问题加以探索，将迎来层出不穷的科学与技术突破。可以说，未来已来的液态金属时代已跃然入画！
　　刘静：教授，清华大学医学院生物医学工程系，北京100084；研究
　　员，中国科学院理化技术研究所，北京100190。jliumail。ipc。ac。cn
　　LiuJing：Professor，DepartmentofBiomedicalEngineering，SchoolofMedicine，TsinghuaUniversity，Beijing100084；TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190。刘静。液态金属物质科学基础现象与效应。上海：上海科学技术出版社，2019。WangL，LiuJ。Liquidmetalmaterialgenome：initiationofanewresearchtracktowardsdiscoveryofadvancedenergymaterials。FrontiersinEnergy，2013，7（3）：317332。FuJH，LiuTY，CuiYT，etal。Interfacialengineeringofroomtemperatureliquidmetals。AdvancedMaterialsInterfaces，2021，8（6）：2001936。ChenS，LiuJ。Pervasiveliquidmetalprintedelectronics：fromconceptincubationtoindustry。iScience，2021，24：102026。LiuJ。AdvancedLiquidMetalCoolingforChip，DeviceandSystem。Shanghai：ShanghaiScientificTechnicalPublishers，2020。ZhouYX，ZuJS，LiuJ。Fluidicendogenousmagnetismandmagneticmonopolecluesfromliquidmetaldropletmachine。SoftScience，2021，10。20517ss。2021。16。ChenS，WangHZ，ZhaoRQ，etal。Liquidmetalcomposites。Matter，2020，2（6）：14461480。ZhangMK，YaoSY，RaoW，etal。Transformablesoftliquidmetalmicronanomaterials。MaterialsScienceEngineeringR：Reports，2019，138：135。ZhaoX，TangJB，YuY，etal。Transformablesoftquantumdevicebasedonliquidmetalswithsandwichedliquidjunctions。arXiv：1710。09098，2017。中国科协学会学术部，中国科协学会服务中心。第120期新观点新学说学术沙龙文集：常温液态金属如何改变未来。北京：中国科学技术出版社，2019。
　　关键词：液态金属科学前沿基础发现核心技术