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液態(tài)金屬：一個全新工業(yè)的崛起 已有14人參與
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聚焦液態(tài)金屬 “在原創(chuàng)科技方面中國今后能向世界輸出什么？我認為液態(tài)金屬可算一個�！比ツ�12月下旬，在某論壇上，中科院理化技術(shù)所雙聘研究員、清華大學(xué)教授劉靜如是說。 劉靜所說的液態(tài)金屬是指在常溫常壓下像水一樣呈液態(tài)的金屬。對常人來說，除了水銀，幾乎很少能見到液態(tài)金屬。 人們最熟悉的液態(tài)金屬是水銀，它易蒸發(fā)形成有劇毒的汞蒸汽，因而限制了實際應(yīng)用。其實，液態(tài)金屬是個大家族，比如金屬鎵及鎵系不同配比制成的鎵銦合金或鎵銦錫合金，它們沒有水銀的易蒸發(fā)和有毒性這些壞毛病，因而成為科學(xué)家實驗室中的寵兒，正在展現(xiàn)出種種奇妙的應(yīng)用。 液態(tài)金屬：一個全新工業(yè)的崛起 既可以柔若流水，又可以瞬間硬若精鋼，這就是液態(tài)金屬的魅力之處。它又稱非晶合金或金屬玻璃，由于其不同于晶體的特殊原子排列結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出超高比強、大彈性變形能力、低熱膨脹系數(shù)等特異性能，受到各國科學(xué)家重視，成為當今最活躍的材料學(xué)研究領(lǐng)域之一，并孕育著繼鋼鐵、塑料之后的第三次材料工業(yè)革命。上世紀80年代末以來，美國、日本、歐盟等都加大了對這一領(lǐng)域的支持力度，設(shè)立了相關(guān)重大研究項目。在整個國際上，掀起了一波追逐液態(tài)金屬的熱潮。 能“吃”食物（鋁燃料）、進行“代謝”（化學(xué)反應(yīng)）為自身提供能量驅(qū)動自身運動、根據(jù)環(huán)境變化進行變形，液態(tài)金屬機器這一系列非同尋常的習(xí)性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物。這種“仿生型液態(tài)金屬軟體動物”，就是劉靜研究組在世界上首次發(fā)現(xiàn)的一種獨特的現(xiàn)象和機制——10攝氏度以上即為液態(tài)的金屬鎵銦錫合金，可在“吞食”少量鋁后，以可變形機器形態(tài)長時間高速運動，無需外部電力。這為研制液態(tài)金屬機器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 液態(tài)金屬：一個全新工業(yè)的崛起 “液態(tài)金屬自驅(qū)動效應(yīng)，跟材料有關(guān)�！眲㈧o說，剛開始“液態(tài)金屬機器”并沒有外部動力，等“吞食”鋁片后，在電解液里形成原電池反應(yīng)，會產(chǎn)生電力和氣泡推動液態(tài)金屬前進，就能自行運動了。如果液滴個體很小，在微米級別，就可以靠氣泡的反作用力推動。如果液滴個體比較大，在毫米、厘米級別時，氣泡的作用微乎其微。這時，鋁與液態(tài)金屬組成短路原電池，形成內(nèi)生電場，這會改變液態(tài)金屬表面電雙層的分布，誘發(fā)液態(tài)金屬表面張力出現(xiàn)不均衡，進而產(chǎn)生較大推動力�！耙簯B(tài)金屬表面張力是液體里最高的，是水的近9倍。由于它既是液體，又能導(dǎo)電，就可以在電雙層表面張力作用下運動。表面張力會讓液態(tài)金屬向球形發(fā)展，在內(nèi)部形成漩渦。從流體力學(xué)來說，是非常獨特的，像風(fēng)火輪一樣內(nèi)部出現(xiàn)大回環(huán)，又像坦克一樣用輪子帶動履帶�！� 液態(tài)金屬：一個全新工業(yè)的崛起 吞噬自身體重1%至10%不等的鋁，就能支撐這個液態(tài)金屬軟體動物以每秒5厘米的速度運動1個多小時，這樣的發(fā)現(xiàn)，未來可用于研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機器人。 劉靜笑稱，鎵基液態(tài)金屬是被埋藏在深海里的礦藏，在10多年前還是一個比較冷門的研究方向。這種室溫下的無毒液態(tài)金屬，兼具金屬的導(dǎo)電性和液體的柔性，可以勾起他無窮的想象力。 關(guān)于鎵的想象力早在10多年前就開始發(fā)散。2002年的一天，劉靜冒出一個念頭，如果將鎵引入到計算機CPU散熱中會怎樣？他帶領(lǐng)團隊開始進行大量試驗，現(xiàn)在這個想法早已成功，并從實驗室走向市場。 市面上的主流CPU散熱技術(shù)經(jīng)歷了3代變革。第一代“翅片風(fēng)冷”主要依靠銅、鋁等金屬的導(dǎo)熱來實現(xiàn)散熱；第二代“熱管”則采用相變吸熱、毛細回流的熱展開方式；第三代以“水冷”為代表，采用水對流傳熱來實現(xiàn)熱展開過程。這3代散熱技術(shù)在面臨極端高熱流密度散熱問題時，都存在不易克服的瓶頸。如水冷管道內(nèi)易發(fā)生沸騰相變，會導(dǎo)致嚴重的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，且其驅(qū)動需借助機械泵，使得硬件設(shè)備較大。鎵合金則不同，它導(dǎo)熱系數(shù)是水的60倍至70倍，捕獲熱量的能力比水強悍得多；沸點高達2000℃，抗擊極端溫度的能力異常強，且性質(zhì)穩(wěn)定、無毒。“液態(tài)金屬芯片冷卻是第四代技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)變成產(chǎn)品了，而且是批量化進入市場�！� 想象力的魔盒打開后，劉靜團隊用液態(tài)金屬創(chuàng)造了一個又一個世界首次。 “鎵合金室溫下像墨水，能不能讓它像鋼筆畫畫一樣寫出電路板呢？這激發(fā)了我關(guān)于液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的一系列想法�！眲㈧o團隊在這個想法基礎(chǔ)上，做出了一系列的開拓性技術(shù)：紙上印刷電路及液態(tài)金屬3D打印技術(shù)、“夢之墨”技術(shù)、皮膚電路直接繪制技術(shù)、可植入式醫(yī)療電子在體內(nèi)3D打印、液態(tài)金屬電子手寫筆、可在任意表面制造電路的霧化打印方法……一直到去年問世的世界首臺全自動液態(tài)金屬個人電子電路打印機，實現(xiàn)了全球科學(xué)界與工業(yè)界的一個夢想：隨時隨地實現(xiàn)電子電路所見即所得的直接打印。有了這臺機器，你可以從網(wǎng)上下載電路設(shè)計方案，打印出你想DIY的目標機器的核心電路。 劉靜的想象力并沒有局限在機器領(lǐng)域，他還想拿鎵銦錫合金這種好用的材料來修補人體。去年，課題組在世界上首次應(yīng)用液態(tài)金屬“縫合”了牛蛙斷裂的坐骨神經(jīng)，這刷新了對人體神經(jīng)連接與修復(fù)難題的認知。 “信號傳導(dǎo)效果與未受傷的神經(jīng)幾乎一樣�！眲㈧o說，實驗表明，液態(tài)金屬充當了幾乎完美的“橋”，使牛蛙一側(cè)坐骨神經(jīng)在遭受刺激時所產(chǎn)生的電信號，準確無誤地傳遞到另一側(cè)。也就是說，液態(tài)金屬起到了導(dǎo)電傳輸?shù)淖饔�，可以傳送生物電信號�?br /> 鎵銦錫合金的3個優(yōu)點讓劉靜決定嘗試將其用于神經(jīng)修復(fù)：第一，這種合金在常溫下呈液態(tài)，無毒性，借助注射器就能鉆進神經(jīng)管道中“搭橋”，操作起來十分方便；第二，它具有杰出的導(dǎo)電性能，是水的100億倍，能保證斷裂的神經(jīng)末梢在液態(tài)金屬的連接下快速聯(lián)通，其電導(dǎo)率也顯著優(yōu)于納米材料溶液等熱門的神經(jīng)修復(fù)材料；第三，它很穩(wěn)定，很難與體液、周圍器官組織發(fā)生反應(yīng)，因此在X光、CT的照射下，呈現(xiàn)出極高的影像對比度，如果神經(jīng)生長恢復(fù)良好，便可把液態(tài)金屬從體內(nèi)抽離，不留一絲痕跡。 不只是神經(jīng)連接修復(fù)，液態(tài)金屬外骨骼、可注射金屬內(nèi)骨骼、血管造影……都是他們開發(fā)出的液態(tài)金屬的生物醫(yī)學(xué)“新功能”。 站得高才看得遠 “這樣的材料多能性確實罕見，是大自然的饋贈，如何發(fā)揮它的功用，是研究者要做的事情�！痹趧㈧o的心目中，鎵合金應(yīng)該還有更多神奇的功用未被發(fā)現(xiàn)，想象力無窮盡，科學(xué)發(fā)現(xiàn)也就不會有盡頭。 比如，他們正在試圖給液體金屬機器人支骨敷皮，讓這個柔軟的“生物”站起來，實現(xiàn)從“水生”向“陸生”的進化。 “把液態(tài)金屬用皮膚套裝起來，或者用毛細現(xiàn)象將它附著在其他金屬骨架表面，它就可以不局限于溶液中，能走出去執(zhí)行高難度的特殊任務(wù)�！眲㈧o的設(shè)想里，在救災(zāi)中，柔性機器人可以穿過狹小空隙再恢復(fù)原形并繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；在醫(yī)療中，柔性機器人可沿血管等人體自然腔道運動，將藥物送入靶點，或者直接清掃血管里的垃圾；在外太空探索中，柔性機器人也可以在微重力或無重力環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。“如果把電子編程看做是神經(jīng)調(diào)控，液態(tài)金屬看作‘細胞’功能執(zhí)行單元，通過電子芯片進行編程并結(jié)合一定的材料技術(shù)，就可以讓液態(tài)金屬實現(xiàn)可控的變形和組裝集成，并實現(xiàn)傳統(tǒng)型剛性和硬質(zhì)機器人無法做到的無縫連接。” 這些想象目前正在一個個踏踏實實的實驗中探索其可行性。 “我們在不斷嘗試，各種聲、光、熱、電、力等因素對鎵合金液態(tài)金屬自驅(qū)動的影響，也在嘗試鋁之外的其他‘食物’是否可行。鎵合金對人體無毒，但鋁對人體有毒，所以目前這種自驅(qū)動液態(tài)金屬機器人還不能用于生物實驗�！敝锌圃豪砘┦可蛘f。 液態(tài)金屬機器人需要融合材料學(xué)、生物學(xué)、機器人、流體力學(xué)、電子、傳感器以及計算機等多學(xué)科的知識，這才是把想象力變成現(xiàn)實的基礎(chǔ)。 劉靜的學(xué)科背景就是一個典型的例子。他本科就讀清華大學(xué)熱能工程系，同時還兼修了物理系的雙學(xué)位，研究生還在熱能系，但研究的課題卻不是空調(diào)，而是“生物傳熱”——這讓他又不得不學(xué)習(xí)了很多生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的知識。 “液態(tài)金屬的核心問題就兩塊，物質(zhì)和能量，都可以歸結(jié)到工程學(xué)和物理學(xué)的基礎(chǔ)范疇內(nèi)�！眲㈧o說，做這種前沿性的研究要避免盲人摸象，教育背景和學(xué)科背景就應(yīng)該是綜合的�！耙獩_到最頂上，才不會不識廬山真面目�！� 在此次論壇上專家們還就液態(tài)金屬的發(fā)展領(lǐng)域做了以下展望： 1 在國際學(xué)術(shù)界，液態(tài)金屬這位“鐵漢柔情”的宏觀脆性與微觀塑性之間本質(zhì)關(guān)系一直是個謎。在切削加工這種大應(yīng)力，高應(yīng)變速率工況下的形變機制更是一個空白領(lǐng)域。而趙巖創(chuàng)造性地利用磁控濺射鍍膜、金剛石超精密車削、分子動力學(xué)(MD)仿真等技術(shù)研究了金屬玻璃的超精密加工及其剪切形變區(qū)的原子組態(tài)演化規(guī)律。他率先建立了Cu Zr金屬玻璃超精密切削的MD仿真模型，總結(jié)出剪切區(qū)的溫度、應(yīng)力分布以及切削能量分布規(guī)律，填補了國際空白。 2 在軟塑料上“打印”電路可制造能彎曲、伸展的柔性電路板，用手寫筆快速制作LED電子顯示屏，在皮膚、樹葉上書寫電路，為大功率、高集成度LED芯片散熱等。把液態(tài)金屬打印在樹葉、皮膚上有什么意義？這代表了液態(tài)金屬打印的普適性，可用于在各種表面制造電子電路；而皮膚打印，如在特殊情況下將醫(yī)用電路和傳感器印制到病人的頭部，則可通過手機隨時了解顱內(nèi)的有關(guān)生理變化。 3 3D打印當下很時髦，但多集中于塑料、聚合物等材料上。劉靜團隊為此研制出液態(tài)金屬室溫3D打印設(shè)備，提出并實現(xiàn)了液相快速打印金屬，以及非金屬材料與金屬材料的混合3D打印等，這在世界上屬于開創(chuàng)性工作。劉靜認為，“這將催生功能器件終極混合制造技術(shù)�！� 4 液態(tài)金屬高分辨CT成像、阻塞血管腫瘤治療技術(shù)以及注射電子、液固轉(zhuǎn)換型金屬骨骼等。特別是，針對斷裂神經(jīng)修復(fù)這一世界性難題，采用液態(tài)金屬“搭橋”，可成功實現(xiàn)了神經(jīng)連接。 “人類文明的發(fā)展史啟示我們：一類材料，一個時代�！敝袊谝簯B(tài)金屬領(lǐng)域有幸走在世界的前列，我們希望能把握這一重大歷史機遇，在中國建成世界級的液態(tài)金屬谷。 |
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3樓2016-01-08 18:43:09
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