科幻的镓基液态金属——“终结者”步入现实

背景介绍

1991年《终结者2：审判日》在美国上映，影片一经播出引起巨大轰动，票房收入数以亿计。《终结者2：审判日》的巨大成功归功于跌宕起伏的剧本情节、精妙绝伦的音乐烘托、深刻隽永的主题内涵、划时代的特效技术，堪称90年代科幻动作的经典之作。其中，最让人津津乐道的还要数片中完全用电脑特效生成的液态金属机器人T-1000，是电影特效史上划时代的成就。影片中液态金属机器人T-1000令人印象深刻，它可以随意变形，受伤或中弹后伤口会自动闭合，如同不死之身。影片距今上映已经超过30年，科研工作者们对于液态金属的一步步深入研究正在让这个科幻故事慢慢成为步入现实。

图1 《终结者2：审判日》中的液态金属机器人T-1000（图源自网络） 液态金属通常指在室温温度下保持液体状态的金属或合金材料，其最引人注目的特性是高表面张力、密度异常、高电导率和导热性、相变、温度和低粘度以及低毒性。汞（Hg）有着单质金属中最低的熔点（-38.8℃），是人们最为熟知的液态金属，但其具有较高的毒性和蒸汽压。因此，目前广泛研究的是以金属镓及其合金（例如In和Sn）为代表的液态金属。

镓基液态金属的组分和基本特性

在标准大气压下，金属镓的熔点较低（29.76℃），而沸点较高2403℃，有着较宽的液态温度范围（2373 ℃）[1]。这一特殊性质是与镓的晶体结构相关的，菱形的晶体结构致使其原子内部结合力较大，分子间结合力较弱，从而使得其熔点与沸点的存在巨大差异的特性。这一性能使得镓与很多金属元素能方便地通过简单的熔融制备成不同的合金，如图2所示[2]。镓与不同组分金属元素的组合就能够轻易地制备得到性能各异的液态金属，无论是简单的二元合金，亦或是更复杂的三元、四元合金。 当然，液态金属的稳定存在也不仅仅依赖于熔点，金属的凝固往往需要很大的过冷度。通常情况下，通过限制、尺寸效应、快速淬火和氧化皮的存在可以增强过冷。尺寸效应是抑制镓基液态金属凝固温度最常见的手段。样品体积的减小使得在一定体积内存在成核剂的概率较低，从而提前终止过冷。当达到纳米尺度时，系统的热力学发生变化，导致纳米合金不同于简单的块体合金共晶相图。对于纯液态金属，也观察到变化。在液相金属镓中在热力学上有利的α相中没有结晶，且在纳米尺度上，发现了β-、γ-和δ-相，熔化温度分别为16.2、35.6和19.4 ℃[3]。

图2 （a）Ga-In二元合金相图；（b）Ga-Sn二元合金相图；（c）Ga-Zn二元合金相图；(d)镓基液态金属的熔点与凝固点[2]

镓基液态金属动起来

近些年来，液态金属机器人的科研成果和新闻报道屡见不鲜。镓基液态合金提供了许多独特的性能，如具有最高的表面张力，不混溶于水性和有机流体中。更重要的是，它们的金属特性可实现许多使用传统流体无法重现的非凡效果，例如电化学氧化还原，连续电润湿和洛伦兹力的感应，从而拥有了“72变”、“分身”、“旋转陀螺”、“短跑”[4]。 

—液态金属变起来 

液态金属在2D中的形状可以使用氧化和马兰戈尼效应进行电化学控制。将液态金属液滴浸入圆形培养皿的NaOH电解质中，其培养皿中间设置有阳极与液态金属接触，边缘设置有阴极。通过施加电位，氧化物优先在液态金属侧面向阴极的地方形成。这降低了其局部界面张力，并导致马兰戈尼流向液态金属在培养皿中心具有较高界面张力的地方。这使得液态金属向阴极扩散（图3a）[5]。液态金属可以扩散到多达三个不同的阴极。两个突起之间的最小角度为30°。将两个液态金属液滴封装在两个铜电极上，两侧有两个额外的外部电极。当打开开关时，对一个液滴施加氧化电位，对远侧的外部电极施加还原电位，这导致一个液滴氧化并扩散，与第二个液滴合并（图3b）[6]。为了分裂液滴，将正电位施加到一个外电极上，并将负电位施加到另一个外电极上。这导致合并液滴的一侧氧化，一侧减少，这使得液滴不稳定并分裂。 

—液态金属转起来 

液态金属的高导电性意味着不断变化的磁场能够感应出足够大的涡流，使洛伦兹力可以移动在NaOH溶液中的液态金属液滴。固体金属球体所经历的洛伦兹力产生水平力（与移动磁铁的方向相同），以及使其向相反方向旋转的扭矩。因此，液态金属与固体球体的方向相反，固体球体由于施加的扭矩而滚动（图3c）[7]。 

—液态金属跑起来 

静电力可以以电泳方式驱动非球形液态金属颗粒。这些颗粒是使用剪切力从毛细管中捏出液态金属流而产生的。用作流体的硅油被氧气饱和，以确保液态金属的快速氧化。氧化层稳定了由剪切力形成的非球形形状，创造了各种形态，例如椭球体，单尾，双尾和杆。使用高电位差（∼数千伏）与针电极驱动颗粒，将带电的电极朝向粒子并与之接触会导致其带电，然后由于静电力而被排斥，使粒子在电极之间移动（图4c）[8]。

图3 液态合金的特异功能（a）“七十二变”[5]（b）“分身术”[6]（c）“旋转陀螺”[7]（d）“短跑”[8]

镓基液态金属的科幻未来

镓基液态金属机器人的运动能力还在进一步深入研究，有待进一步加强，但是其在柔性电子、散热介质、生物医药等领域有着广阔的应用空间。液态金属的诸多优势和应用，正在将一个个科幻故事变成现实。 

—柔性电子        

液态金属具有无与伦比的导电性和变形性组合，因此非常适合可拉伸和柔软的电子产品[9]。与汞不同，镓基液态合金被认为具有低毒性，并且还形成表面氧化物，使金属能够被图案化成有用的形状（图4a）[10]，例如可伸缩的导线，互连，电极和天线。液态金属也可用作存储器件、电容器和二极管中的有源元件。液态金属变形的能力为创建完全由软材料制成的应变，触摸，曲率和弯曲传感器提供了独特的途径。液态金属还可以通过包括电刺激在内的多种机制改变其形状，用于可重构的电子设备。这使得镓基液态合金在柔性电子领域成为宠儿，相关的研究和产业化应用方兴未艾。 这使得镓基液态合金在柔性电子领域成为宠儿，相关的研究和产业化应用方兴未艾。在2022年，韩国蔚山国立科学技术研究所研究团队采用液态金属共晶镓铟(eGaIn)的直接墨水书写技术制造了一种柔软、可伸缩的传感器和加热片，开发了一种基于液态金属的多模态传感和反馈手套[11]。该团队该手套可以测量手指运动并提供振动触觉和热触觉反馈，允许使用者在各种虚拟现实环境下感受接触状态和不同的温度。 

—散热介质        

镓基液态合金在常温下有着出色的导热性和吸热能力，远胜于传统的水介质。此外，液态金属不含有机物，因此其可耐400°C以上高温，不存在有机物挥发性能衰减问题，性能稳定，寿命长。镓基液态金属已经成为新一代的散热器的理想散热介质，在高功率、高热流密度集成电子芯片和光电子器件以及国防关键装备的极端散热领域有了现实的应用。中国科学院理化技术研究所刘静团队于2002年原创性地提出了以低熔点液态金属作为冷却工质的芯片散热方法，在芯片冷却领域的应用取得了突破式进展，颠覆了传统的风冷、水冷、油冷等散热技术，被誉为第四代先进热管理技术[12]。 2014年美国国家航空航天局（NASA）将“液态金属冷却技术”纳入未来前沿技术。2016年11月，云南靖华液态金属热控与能源产业园举行开工奠基仪式，该产业园占地面积500亩，总投资10亿元，主要服务于液态金属的相关技术研发、成果转化和产品生产的各个环节，以推动液态金属技术从实验室走向生产车间，转化为现实生产力。 —生物医药        

基于液态金属的优异特性，尤其是良好的生物相容性和降解性，液态金属在神经连接与修复术、高清晰医学造影术、高度微创骨骼原位重建术、柔性医疗器械植入术、加强癌症治疗、定向药物输送载体等的广泛应用，为生物医药领域带来了重大变革，促成和建立了一个全新的医疗领域[13,14]。由于神经元的再生能力有限，中枢和周围神经疾病在基础和临床领域引起了广泛的兴趣。刘静团队首次提出使用共晶GaInSn作为周围神经功能恢复的电通道。刘静团队研究人员利用液态镓来修复哺乳动物的坐骨神经，将镓注入硅橡胶中，通过连接小鼠坐骨神经的两个树突促进神经功能[15]。液态金属由于其高密度而被视为防辐射材料，被制造成具有卓越辐射屏蔽能力的可拉伸薄膜。 由于这一特性，液态金属可以用作成像造影剂，以显示材料进入体内后的位置。由于其出色的不透射线性，可以在深层组织中获得具有更好对比度和更详细信息的清晰照片[16]。与有机和大多数金属纳米材料的复杂制造相比，液态金属使简单的超声处理方法能够在水溶液或乙醇中制备液态金属纳米颗粒。通过功能化，很容易形成稳定的胶体悬浮液或负载化学药物。人们甚至可以通过溶液中的温度，光和表面活性剂来控制液态金属纳米颗粒的形状。美国北卡罗莱纳大学研究团队利用液态金属在热作用下的形状可变换行为，并与石墨烯量子点结合用于细胞内药物递送[17]。

图4 液态金属的科幻应用（a）柔性电子[10]（b）散热介质（图源自网络）（c）生物医药[13]

结论与展望

镓基液态金属作为一种科幻性的材料在液态金属机器人、柔性电子、散热介质、生物医药等领域有着创新性的应用，给人类未来的社会带来了一些无限的遐想。随着科研工作者的深入研究和市场应用的逐步形成，越来越多的科幻的液态金属黑科技从实验室走向生活，从未来走向现实。