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輕量化液態金屬物質

常溫液態金屬通常是指一大類熔點接近室溫的低熔點金屬。與傳統認知中的金屬不同，此類物質通常情況下呈液態，既具有液體良好的流動性，又擁有金屬材料優異的導電性與導熱性，且易于通過溫度調控使其在固液相之間快速切換，即表現出剛柔相濟的特點。由于這些因素，液態金屬在柔性電子、3D打印、芯片冷卻、生物醫學以及可變形機器人等領域得到了日益增長的應用。然而，常規的液態金屬材料自身密度通常很高，這會給由此制成的器件與裝備平添額外重量，造成相應能量消耗，也削弱了使用的靈活性。為改變上述現狀，劉靜課題組提出了旨在制造輕質液態金屬的基本思想，他們特別以共晶鎵銦合金及中空玻璃微珠為典型代表（圖2），制備出了密度僅為水的一半以至可漂浮于水面的輕量化液態金屬復合材料（圖3）。這種材料除保留了純液態金屬良好的導電性、導熱性、力學強度及固液相變特性（圖4）外，還擁有可塑性、可變形性乃至磁性等行為，作者們為此設計了系列平面及三維應用場景，并引入不同封裝方式實現了對材料漂浮行為的調控，展示了水面電路及水中機器人的潛在應用。圖2. 典型輕量化液態金屬復合物微觀結構的SEM與EDS圖圖3. 基于液態金屬-中空玻璃微珠制成的輕量化復合材料及對應密度圖4. 基于GaIn與玻璃微珠的輕量化液態金屬復合材料的力學與溫度斷裂行為輕質液態金屬物質概念的提出具有基礎科學意義和普適應用價值，由此開啟了一條研制新型液態金屬功能材料的基本途徑。原則上，結合各類液態金屬與對應的輕質改性物質，可賦予終端材料更多目標功能，從而能以一種材料形式同時將許多尖端材料的功能如電、磁、聲、光、熱、力學、流體、化學等集于一體，這是已有材料體系不易具備的，因而在許多場合十分有用，比如作為印刷電子墨水、3D打印材料、可注射金屬骨骼與牙科修復、血管栓塞及造影劑、水中機械電子設備、剛柔相濟型可穿戴外骨骼以及可變形柔性機器人等。此項研究中，論文第一作者為清華大學醫學院生物醫學工程系博士生袁博，通訊作者為清華大學醫學院生物醫學工程系教授劉靜。相應研究得到國家自然科學基金重點項目及中科院前沿項目的資助。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709

清華大學 2021-04-11

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