液态金属大显神通，《终结者》更进一步

2021-06-28 10:56:30 作者：材料人来源：材料人分享至：

一说到液态金属，科幻迷们就能立马想到电影《终结者》系列中的坚不可摧的液态金属机器人T-1000，这种可自由变换形态的机器人展现出了液态金属所具的特性：液态的流动性、非晶金属的高强度，可自我修复损伤等。

（图片来源自《终结者》剧照）

在现实中，液态金属通常使用镓、铷、铯等低熔点金属的共晶合金，作为一种正离子流体和自由电子气组成的混合物，液态金属不仅具有液态金属机器人的奇特性能，因为其不定型的液体形态还具有极佳的电性能、热力学性能等，因此在仿生机器人、药物输送、集成电路设计、柔性电子产品领域等具有非常广阔的应用前景。

镓的熔点只有29℃，可被人手熔化（图片来源自网络）

最近，国内两个团队分别发表液态金属最新研究，将这种神奇材料再次带入到大家的视野，使液态金属距离实现《终结者》中的液态机器人更近了一步。

一种可快速实现固液可逆转换的磁流体夹持器

磁场可对铁磁性材料实现灵巧、精确和实时的控制。然而，对于大多数材料，如玻璃、有机物和金属，都是非磁性的，通常对磁场没有反应。

最近，来自清华大学、中科院理化所等的Hongzhang Wang（汪鸿章）团队报道了一种磁场操控非磁性物体的方法，通过将磁性铁颗粒混入纯镓中制成的过渡态磁流体（transitional ferrofluid，TF），这种液态金属TF在磁场控制的可逆固液相变过程中可对任意物体产生互锁力，从而实现对非磁性物体的磁操纵。

图4：过渡态磁流体TF的可逆相变及其制造方法。（a）TF的固液可逆相变。（b）通过TF的相变展示非磁性物体的可转换磁性抓取。（I）在液态（T>Tm = 29.8 °C）下，可变形的 TF 可以与目标物体紧密接触；（II）TF在室温下固化（T=25°C < Tm）并紧密联锁嵌入物体，无需外部能量消耗；（III）利用TF的磁性，可以通过磁场远程抓取嵌入的物体；（IV）运送到指定地点后，通过在适度加热再次熔化TF，使物体脱离。（f）由橡胶和TF制成的人造手可以模仿真手的不同手势，并可通过融化和固化TF，重新抓取水果。（g）固化后的TF与玻璃之间具有很强的附着力，并产生能悬挂500 g重量的互锁力。（h）制造过渡铁磁流体的基本程序。（i）不同浓度的TF和HCl的生产率曲线。（j）不同HCl浓度下镓与的铁瓶之间的接触角曲线，比例尺为 2 毫米。

该液体金属TF制成的夹持器可以与任意形状的物体紧密接触，然后在室温（25℃）固化后产生高达1168 N（仅使用10 g TF）的强大互锁力，并且可以通过电磁感应加热融化（熔点Tm为29.8℃）来可逆解除（F < 0.01 N）。抓取非磁性物体的模式分为：嵌入或涂层（液体）和互锁或粘附（固体）。因此，可以通过TF的相变实现对任意形状物体的磁性操纵，而无需对目标物体进行其他处理。

实验结果表明，与纯镓相比，TF的熔化和凝固过程均得到增强，提高了抓取和释放的工作效率，这归因于镓中分散的铁颗粒。这项研究有望给软体机器人、远程操作系统、药物输送和液体夹持器的可逆磁驱动方面提供众多潜在应用。

而刘静研究员，作为这篇文章的共同通讯作者，早在2015年就带领中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组，在Advanced Materials上发表了题为“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”的研究论文，实现了世界首台无需外部电力的自主运动液态金属机器，并迅速被Nature研究亮点、Science新闻、New Scientist等数十个知名科学杂志或专业网站专题报道，被外媒形容为制造出“终结者”机器人，在国际上引起剧烈反响和热议。

刘静研究员当年的文章被作为了期刊封面

液态金属纳米粒子的尺寸决定导电/介电功能

可拉伸功能材料最近受到广泛关注，因为它们广泛用于可变形电子设备，从机器人传感皮肤和可穿戴通信电子设备到生物集成设备。

制备可拉伸功能材料最有前途的方法是将功能填料嵌入弹性体中，从而将无机功能的互补优势与弹性体的机械拉伸性相结合。而液态金属（LM），特别是共晶镓铟（EGaIn），似乎是解决功能性和可拉伸性之间权衡的最有希望的候选者。

南开大学材料科学与工程学院梁嘉杰团队使用一系列具有不同肖氏硬度的各种聚氨酯和不同直径的液态金属纳米粒子（LMNP）制成的弹性体/LMNPs复合材料，系统地研究液态金属颗粒的断裂应力与直径之间的关系。制造了基于液态金属的超稳定、高弹性和高导电性的可拉伸电极。

该液态金属颗粒有内部的高导电液态金属和外部的绝缘氧化物Ga2O3壳组成。当外部应力大于绝缘氧化物的破碎应力时，液态金属颗粒破碎、融合，在材料内部形成丰富的导电通路；当外部应力小于绝缘氧化物的破碎应力时，液态金属颗粒保持完整，提高复合材料的介电常数与电容性能。该成果以“Rupture stress of liquid metal nanoparticles and their applications in stretchable conductors and dielectrics”为题发表在npj Flexible Electronics 上。

图6：（a）液态金属纳米颗粒的制备过程及其核壳结构。（b） LMNPs-1.4与LMNPs-0.3分别应用于制备可拉伸电极与可拉伸绝缘材料工作原理示意图。

研究人员通过实验和数值计算建立了不同肖氏硬度弹性体的应力-应变曲线与不同直径的LMNPs的断裂应力之间的关系。发现随着液态金属纳米颗粒尺寸增加，破碎应力逐渐变小。

图7：（a）液态金属纳米颗粒破碎应力与直径的关系。（b） 50%LMNPs-1.4/85PU与50%LMNPs-0.3/85PU破碎应变的实验值与理论值。（c） 50%LMNPs-1.4/65PU与50%LMNPs-0.3/65PU破碎应变的实验值与理论值。

根据计算结果提供的指导，研究团队采用聚结的破碎LMNPs 1.4制造了基于液态金属的、超稳定、高弹性和高导电性的电极。

作为可拉伸导体，85% LMNPs-1.4/85PU复合材料展示了大的拉伸性（>500%）和高导电性（0% 应变时为11702 S·cm-1，500% 应变时为24130 S·cm-1）。

此外，通过使用完整的LMNPs-0.3制造了具有高介电常数和比电容的介电薄膜。作为介电层，50% LMNPs-0.3/55PU介电膜在580%应变下仍可保持绝缘态。与空白对照相比，比

电容和介电常数分别达到 64.7 nF·cm-2和76.8，分别增强了1200%和1240%。

图8. （a） 85%LMNPs-1.4/85PU拉伸状态下的电导率与拉伸应变的关系，（b）实验数据拟合，（c） 85%LMNPs-1.4/85PU在300%应变、不同速度（0.12 Hz, 0.16 Hz, 0.24 Hz, 0.30 Hz, 和 0.01Hz）下循环20000次过程中的电阻变化。

图9：基于液态金属的可拉伸电介质的电学性能。（a）在10-100 kHz下LMNPs-0.3/55PU与不同体积配比LMNPs-0.3的比电容和耗散的比较。（b）在100 kHz频率下，不同液态金属添加量LMNPs-0.3/55PU的介电常数。（c）在10-100 kHz频率范围内，50%LMNPs-0.3/55PU在不同应变下的电容变化。（d） 100%应变下拉伸1,000次过程中，50%LMNPs-0.3/55PU的电容与损耗变化。

疲劳测量表明介电薄膜在100%应变下可稳定循环1000次。这证明了LMNPs-0.3在电介质内的高稳定性，并进一步证实了计算提供的指导的准确性。

总之，该研究结果将指导液态金属的系统研究，并推动下一代可拉伸变形电子学的发展。目前液态金属材料及其应用正处于蓄势待发的阶段，将为众多领域带来全新的变革。

原文链接

[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.

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