清华大学刘静团队：提出轻量化液态金属物质概念并实现系列多功能材料水上漂
2020-02-21 14:45:33
作者：高分子科学前沿 来源：高分子科学前沿
室温液态金属材料，尤其是镓基合金等低熔点合金，既具备传统金属良好的导电性及导热性，又拥有常规液体卓越的流动性，近年来逐渐在芯片冷却、印刷电子、柔性机器人以及生物医疗等领域占据了日益重要的位置。但与此同时，液态金属材料自身的高密度也给由此制成的器件平添额外重量，造成相应能量消耗，也削弱了使用的灵巧性。设想，若能实现液态金属及其衍生材料的轻量化，将打开若干可望改变游戏规则的应用。
近日，清华大学医学院生物医学工程系刘静教授团队首次提出轻量化液态金属物质理念，并研发出系列密度甚至低于水的液态金属复合材料。在作者们展示的一类由空心玻璃微珠与液态金属构成的代表性复合材料（简称GB-eGaIn）中（图1），其密度已从镓铟合金最初的幅值6.2 g/cm3降低至0.5g/cm3以下，这使其拥有了身轻如燕以至可漂浮于水面的能力；而且，根据实际需求，此类终端材料的密度可在较宽范围予以设计调控。除了继承有液态金属良好的导电性及相变特性外，这样的轻型材料还具备优异的可塑性，由此可显著拓展液态金属材料的应用场合。
图1. 由空心玻璃微珠及液态金属制成的轻量化复合材料GB-eGaIn
轻量化液态金属复合材料的制备过程十分简捷（图2）。一种典型途径是，基于镓铟合金表面氧化膜与玻璃表面良好的亲和性，可借助机械搅拌方法将其与空心玻璃微珠迅速结合，形成均匀、稳定、可塑的混合物。通过改变玻璃微珠种类及其与镓铟合金的配比，研究者们制备出了密度从0.448g/cm3到2.010 g/cm3不等的一系列GB-eGaIn材料，并对各配比情况下GB-eGaIn材料的结合力与电阻率等进行了测量（图2）。试验发现，随着液态金属含量的增多，复合材料的密度逐渐提高，导电性和内部结合力也对应增强，为不同应用情景提供了丰富的材料选项。研究者们还具体针对GB-eGaIn的基本性质，演示了平面结构与立体结构两种典型应用场景。
图2. 轻量化液态金属复合材料的相关性质
1. 平面结构器件及其应用
基于GB-eGaIn良好的延展性，这种材料可轻松塑形为各种平面片状结构器件，并实现卷曲、折叠等行为，独立的两片材料还可以通过按压形成一个整体。利用该性质，人们可以通过类似折纸的方式将其从二维平面结构转而构筑成三维立体结构。得益于液态金属优良的室温固液相变性质，GB-eGaIn也可通过温度调控在可塑性的柔性状态及可承重的刚性状态下自由切换，这样，即便是薄片也能实现良好的承重性能（图3）。
图3. 平面GB-eGaIn材料的力学及电学性质
2. 漂浮性能调控
由于水和液态金属对玻璃表面亲和性不同，当接触到水后，GB-eGaIn内部原有的玻璃微珠-液态金属连接会被玻璃微珠-水连接所替代，从而使其内部结构发生改变，进而引起密度及电学性质的改变（图4）。研究者们利用这一特性为GB-eGaIn薄片设计了差异性封装结构，由此可通过在未封装部位加入少量的水对其漂浮行为加以调控；并基于这一特性设计了水面漂浮开关，为其在水环境中的电路应用提供了可能（图5c）。沉没后的GB-eGaIn，可通过烘干处理，重新恢复其原有的漂浮与电学性质，由此实现重复利用。
图4. 水对GB-eGaIn材料结构的影响
图5. 平面GB-eGaIn的漂浮行为及其在水中的电学特性
3. 3D结构器件及其应用
除了用于构建平面结构外，GB-eGaIn也可轻松地借助模具或手工制作成特定三维形态（图6a）。塑形好的GB-eGaIn器件在经过PU膜的防水封装后，可作为漂浮器件应用于水中，其承重能力可达自身重量的8倍。类似于片状结构，三维GB-eGaIn器件也可以通过加水或破坏其封装材料对其漂浮性能予以调控，由此实现漂浮、悬浮及沉没等行为（图6c）。基于这些性质，研究者在该元件上附加了磁铁单元，借助磁场作用实现了对该器件的运动调控使其到达目标地点（图6e），由此完成对其漂浮行为的控制。
图6. 三维GB-eGaIn构件及其在水中的应用特性
以上成果以“轻量化液态金属物”（Lightweight Liquid Metal Entity）为题在线发表于国际知名期刊Advanced Functional Materials上（https://doi.org/10.1002/adfm.201910709），清华大学医学院2016级博士生袁博为本文第一作者，清华大学医学院生物医学工程系教授、中科院理化技术研究所双聘研究员刘静为本文通讯作者。
感谢国家自然科学基金重点项目（No.91748206）的资助！
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