來源 | 上海《科學(xué)》雜志2022年第74卷第2期

　　題目 | 液態(tài)金屬：無盡的科學(xué)與技術(shù)前沿

　　作者 | 劉靜

　　隨著常溫液態(tài)金屬一系列應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)，這類以往只被零星研究或只在特殊領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注的材料逐漸進入公眾視野，促成了若干新科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也打開了諸多變革傳統(tǒng)技術(shù)的大門，正孕育著無盡的科學(xué)與技術(shù)前沿。

　　液態(tài)金屬泛指處于液態(tài)的金屬，傳統(tǒng)意義上是指熔點在數(shù)百攝氏度甚至更高的金屬的熔煉和加工成型方面的內(nèi)容，研究相對成熟。當(dāng)前在世界范圍引發(fā)廣泛矚目，已成重大科學(xué)熱點的主要是常溫液態(tài)金屬，通常指熔點在室溫附近的金屬或合金。

　　常溫液態(tài)金屬，令人驚異的物質(zhì)存在

　　深究之下，不禁感嘆常溫液態(tài)金屬在自然界的存在令人驚異。在元素周期表118個元素中，非金屬只占22種，而金屬則高達96種。然而在如此多的金屬中，只有零星幾種在常溫下處于液態(tài)，如31號元素鎵(Ga，熔點29.76℃)、37號元素銣(Rb，熔點38.89℃)、55號元素銫(Cs，熔點28.44℃)、80號元素汞(Hg，熔點-38.86℃)以及87號元素鈁(Fr，熔點27℃)，其余金屬熔點多在上百攝氏度乃至更高。在這5種金屬中，汞最為人所知，其現(xiàn)代最典型應(yīng)用是基于液態(tài)汞的體溫計、血壓計、電極、旋轉(zhuǎn)鏡面天文望遠鏡，基于氣態(tài)汞的日光燈，基于合金化的補牙用汞齊，以及由混合物制成的汞、丹砂殺菌藥材等，但由于汞在常溫下極易彌散出劇毒性蒸氣，致使其制作和使用存在大的風(fēng)險，因而在日常生活中正逐步被禁用。銣、銫、鈁具有放射性，三者與鈉鉀合金(K78Na22，熔點-11ºC)均極為活潑，易于與水甚至冰發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生爆炸，因而只能用在特殊場合。在整個周期表中，鎵的安全無毒和綜合優(yōu)勢都是極為罕見的，其巨大而廣泛的應(yīng)用價值與已有聲望并不相符，可以說是最被嚴重忽視的元素之一，今天許多關(guān)于液態(tài)金屬的研究與應(yīng)用正是從鎵開始的 [1]。

　　再從物態(tài)調(diào)控及應(yīng)用角度看，可進一步體會到常溫液態(tài)金屬存在的獨特性。物質(zhì)通常存在固、液、氣三相。固態(tài)物質(zhì)往往有著一成不變的形狀和體積，質(zhì)地堅硬，一般分為晶體和非晶體，前者由于內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)所致具有固定的熔化溫度，后者則不具備這樣的長程有序，因而并無固定的熔化溫度，也因此被稱為玻璃態(tài)。液態(tài)物質(zhì)是指處于液體狀態(tài)、無固定形狀，可以流動和變形的物質(zhì)。從這一點看，液態(tài)與非晶態(tài)類似，因而也有人將非晶態(tài)金屬稱作液態(tài)金屬，但實際上其在常溫下仍是固態(tài)。氣態(tài)與液態(tài)有些類似，但擴散力強、體積不受限制。由于在生產(chǎn)生活中發(fā)揮作用的一切器具都需要經(jīng)歷一個從原材料到終端器件與系統(tǒng)的加工過程，其間材料會根據(jù)需要在不同物態(tài)間轉(zhuǎn)換，如借助熔化和凝固成型可制得金屬器具，通過氣相沉積可獲得各種金屬和非金屬功能涂層等。傳統(tǒng)上，這些過程要么需要經(jīng)過高溫處理，要么依賴于紛繁復(fù)雜的物理化學(xué)過程，使用起來十分繁瑣。這樣就引申出一個極為重大的技術(shù)概念和現(xiàn)實需求，就是常溫制造;而若要實現(xiàn)電子、光學(xué)、磁學(xué)、半導(dǎo)體等功能化，金屬的采用往往不可或缺。由于常溫液態(tài)金屬無需高溫冶煉，安全無毒，易于在常溫下實現(xiàn)各種物態(tài)、功能態(tài)的轉(zhuǎn)化，因而大大縮短了從原材料到終端器件的距離乃至逆向的循環(huán)利用渠道。

　　當(dāng)前，整個液態(tài)金屬研究和應(yīng)用的大門正被徐徐打開，正處于產(chǎn)業(yè)的開端。

　　液態(tài)金屬家族中的材料之星

　　作為當(dāng)前明星般存在的液態(tài)金屬鎵，雖然早在100多年前就被發(fā)現(xiàn)，但長期未被重視。鎵以往主要以化合物方式得到應(yīng)用，如氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵等均是經(jīng)典的半導(dǎo)體材料，但因使用總量小，鎵的開采量一度遠高于需求，我國有關(guān)企業(yè)曾因此關(guān)停并轉(zhuǎn)，對應(yīng)市場也出現(xiàn)大幅度上下波動。鎵真正的普及化應(yīng)用和研究直到近20年來才開始，由于使用極為便利，由此打開了廣闊的科技與工業(yè)領(lǐng)域，并激發(fā)出對更多液態(tài)金屬的探索，為此業(yè)界也將此贊譽為“人類利用金屬的第二次革命”。如今回顧起來，常溫液態(tài)金屬之所以長期藏在深山無人知，原因之一或許是汞這類傳統(tǒng)液態(tài)金屬的毒性和危險性讓人望而卻步，另一因素也或許是鎵等相關(guān)材料被歸為稀散金屬、價格相對昂貴所致，事實上這類金屬在地球上的豐度并不低，性價比極高，足以保障遠多于當(dāng)前的全面應(yīng)用。

　　除了單質(zhì)呈液態(tài)的金屬外，可供大量使用的液態(tài)金屬還可從合金中尋找，如鉍、銦、錫、鋅等自身熔點雖在150℃以上，但通過適當(dāng)配比，可以制得常溫液態(tài)合金，且種類還可不斷豐富。21世紀以來，隨著諸多發(fā)明的出現(xiàn)，鎵基、鉍基合金這類以往只被零星研究或只在特殊領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注的常溫液態(tài)金屬逐漸進入人們視野，揭開了許多非凡的物質(zhì)科學(xué)屬性，也打開了諸多變革傳統(tǒng)的技術(shù)大門，可以說它們是液態(tài)金屬家族中的材料之星，而且它們一經(jīng)與各種材料結(jié)合，還可促成無數(shù)的材料革新。

　　元素周期表中常溫單質(zhì)液態(tài)金屬及其可組成常溫液態(tài)合金的金屬 (a)處于不同溫區(qū)的潛在液態(tài)金屬;(b)常溫液態(tài)金屬;(c)液態(tài)金屬組元。

　　當(dāng)前所能得到的液態(tài)金屬還比較有限，能夠全面滿足成本、安全性和功能要求的可用材料和種類還需大大豐富，而用于“合成”液態(tài)金屬材料的更多元素組成也亟待挖掘。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，筆者實驗室曾于2013年提出液態(tài)金屬材料基因組研究倡議 [2]，旨在發(fā)現(xiàn)新的低熔點合金，以滿足各種需求，這涉及材料設(shè)計、相圖計算、第一性原理計算、統(tǒng)計熱力學(xué)、分子動力學(xué)等范疇以及對應(yīng)的并行試驗策略等。

空間無限的液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)

　　液態(tài)金屬超常物質(zhì)特性

　　液態(tài)金屬各種單質(zhì)、合金或其衍生材料，有著諸多令人匪夷所思的新奇物質(zhì)特性。特別是在智能材料、柔性機器人領(lǐng)域，液態(tài)金屬一系列獨特科學(xué)現(xiàn)象與效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) [1]，改變了學(xué)術(shù)界對于傳統(tǒng)物質(zhì)及經(jīng)典物理學(xué)的認識。其中，可變形液態(tài)金屬現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，被認為“預(yù)示著柔性機器人新紀元將到來”;而液態(tài)金屬自驅(qū)動現(xiàn)象的揭開，則迎來了對人工生命的全新理解。

　　液態(tài)金屬物質(zhì)軟化機制

　　液態(tài)金屬是典型的軟物質(zhì)，若能實現(xiàn)對更多金屬的常溫液化和軟化，則有重大的理論意義和實踐價值。筆者實驗室曾為此提出了一種通用的軟化目標物質(zhì)的理論策略和潛在技術(shù)途徑，通過在原子水平上調(diào)控物質(zhì)的內(nèi)邊界，可以顯著降低物質(zhì)熔點，這將有助于研制更多的軟物質(zhì)。

　　液態(tài)金屬催生豐富的界面科學(xué)

　　液態(tài)金屬由于同時兼有金屬性和固有的流體性質(zhì)而表現(xiàn)出迷人的特性，其與不同氣體、液體和固體之間相互作用會發(fā)生令人驚異的化學(xué)行為 [3]，這些基本效應(yīng)的揭示在化學(xué)合成、能量轉(zhuǎn)換、柔性機器和印刷電子等方面具有重大用途。就如生物需要水分一樣，液態(tài)金屬由于溶液體系的引入，迎來一系列獨特機器效應(yīng)與現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn);液態(tài)金屬與特定氣體發(fā)生反應(yīng)形成的薄膜，具有一系列材料效應(yīng)包括半導(dǎo)體效應(yīng);而液態(tài)金屬與各種金屬或非金屬固體發(fā)生合金化或滲透行為，促成了新材料的改性和應(yīng)用。

　　液態(tài)金屬正重塑現(xiàn)代電子工程學(xué)

　　液態(tài)金屬在電子工程領(lǐng)域的重大應(yīng)用體現(xiàn)在印刷電子學(xué)、柔性電子、生物醫(yī)學(xué)電子等方面。核心制造材料目前主要以鎵、鉍及其合金為代表，具有優(yōu)異的電阻率、巨大的拉伸性/彎曲性、可調(diào)附著力和表面張力。制造方面則涉及從個人電子制造(直接繪畫或書寫、機械印刷、絲網(wǎng)印刷、納米印刷等)到三維印刷的一系列突破 [4]。未來液態(tài)金屬印刷電子在集成電路、微/納電子器件乃至終端用戶電子產(chǎn)品直接制造中將發(fā)揮極為廣泛的作用。

　　液態(tài)金屬開啟極端散熱全新模式

　　21世紀初誕生的液態(tài)金屬芯片冷卻方法 [5]，為打破高集成度器件“熱障”及已有技術(shù)面臨的瓶頸開辟了途徑。由于低熔點金屬如鎵或其合金，其導(dǎo)熱系數(shù)比傳統(tǒng)冷卻劑大得多，在較寬溫度范圍內(nèi)能保持液相，是一系列極端散熱的終極選擇。當(dāng)前典型方向為：一是作為熱界面材料，降低相鄰接觸物體之間的導(dǎo)熱阻力;二是作為流動冷卻劑，顯著強化對流傳熱;三是液態(tài)金屬與匹配溶液實現(xiàn)混合冷卻;四是低熔點金屬用于相變吸熱或儲能;五是助力高通量芯片冷卻或熱管理等。

　　常溫液態(tài)金屬在不同介質(zhì)中的界面效應(yīng)

　　液態(tài)金屬磁學(xué)科學(xué)

　　由液態(tài)金屬制成的磁性納米流體具有比傳統(tǒng)流體優(yōu)越的導(dǎo)熱性或?qū)щ娦?，且能夠在高溫下保持穩(wěn)定。此外，液態(tài)金屬磁學(xué)的范疇并不只限于此，近期研究發(fā)現(xiàn) [6]，其自旋液滴電子本身就是磁體，當(dāng)溶液中的液態(tài)金屬(如鎵合金)在電場作用下或通過吞食其他金屬發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，其內(nèi)部形成內(nèi)生磁場，這種不同于傳統(tǒng)剛性物質(zhì)的全液態(tài)磁體可望構(gòu)筑磁單極子。

　　流態(tài)化液態(tài)金屬催化科學(xué)

　　液態(tài)金屬作為流動催化劑為材料科學(xué)家提供了新的研發(fā)機會，正促成一系列非常規(guī)方法的建立。液態(tài)金屬催化劑包括液相催化劑、光催化劑、多相催化劑和雙金屬催化劑，以及基于液態(tài)金屬/金屬氧化物框架的催化劑。液態(tài)金屬系統(tǒng)的典型催化應(yīng)用包括石墨烯薄膜、納米帶、碳納米管的生長、腐蝕性全氟辛酸的光催化降解、水分解、二氧化碳還原，以及丁烷或乙炔脫氫、甲醇蒸汽重整和鐵氰化鉀還原等。

　　無邊界的液態(tài)金屬復(fù)合材料學(xué)

　　純液態(tài)金屬或其合金在某些應(yīng)用中會遇到一定瓶頸，作為一種替代，液態(tài)金屬復(fù)合材料有望解決這一挑戰(zhàn) [7]，通過將液態(tài)金屬與各種宏觀或微觀的匹配材料協(xié)同集成，可設(shè)計出一系列新的目標材料，此方面可供探索的科學(xué)范疇十分廣泛，可望發(fā)現(xiàn)新材料，未來將見證成千上萬種液態(tài)金屬復(fù)合材料的涌現(xiàn)。

　　液態(tài)金屬微納米材料學(xué)

　　一些情況下，宏觀液態(tài)金屬會因自身高表面張力和大尺寸在靈活性上受到限制。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，可通過微/納米技術(shù)手段進行創(chuàng)新，以賦予液態(tài)金屬更加多樣化的性能 [8]。與傳統(tǒng)剛性微/納米材料不同的是，這些新型功能材料不僅具有液態(tài)金屬的柔軟性，還表現(xiàn)出諸多優(yōu)異的性能，如良好的自愈合能力和對刺激響應(yīng)的變形能力，已展示諸多應(yīng)用機遇和前景。

液態(tài)金屬復(fù)合材料典型類型

　　液態(tài)金屬量子/原子科學(xué)

　　迄今為止，幾乎所有的量子器件均由剛體材料制成，其形狀無法變形、分割，一旦制備出來，一般只能按特定結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對應(yīng)功能。若采用液態(tài)金屬及其對應(yīng)材料將量子器件予以液態(tài)化，則可望實現(xiàn)全新概念的液態(tài)量子器件 [9]。通過對液態(tài)金屬以及相應(yīng)的二維材料、量子材料及拓撲材料予以操控，可望獲得各種可變形量子效應(yīng)器件，由此實現(xiàn)不同于傳統(tǒng)剛體系統(tǒng)的量子存儲、計算與人工智能系統(tǒng)等。甚至，液態(tài)金屬也可為高能物理試驗提供理想的低成本研究對象，比如采用高能粒子束轟擊常溫金屬液滴，或更易于激發(fā)出相應(yīng)的微觀粒子，這將降低試驗成本乃至加速基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)。

　　液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)科學(xué)

　　傳統(tǒng)的生物材料，如堅硬金屬、聚合物、復(fù)合材料和陶瓷，在面臨某些嚴峻的醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)時可能無法正常工作。作為替代方案，常溫液態(tài)金屬作為新一代功能材料，已顯示出許多優(yōu)于傳統(tǒng)生物材料的非常規(guī)特性，正在成為一個嶄新的生物醫(yī)學(xué)材料類別，此方面近年來取得的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進步正在促成有關(guān)新型治療和診斷方法的建立，為打破一些現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)難題面臨的瓶頸提供了富有前景的解決方案。

　　液態(tài)金屬空間科學(xué)

　　隨著深空探測和商業(yè)飛行的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一系列嚴峻的挑戰(zhàn)，迫切需要更先進的技術(shù)來應(yīng)對。液態(tài)金屬在地球上取得的突破，也為解決空間環(huán)境中的極端問題提供了有希望的手段。然而，在微重力環(huán)境中，液態(tài)金屬的許多物理化學(xué)行為可能會發(fā)生改變。為此，有必要探索空間與地球上的液態(tài)金屬由于重力效應(yīng)引發(fā)的各種基本問題和實際應(yīng)用差異，從而更好地推動空間科學(xué)與技術(shù)的進步。

　　機遇與挑戰(zhàn)

　　眾所周知，人類對技術(shù)的終極追求就是制造一切，其中的關(guān)鍵在于功能制造，而電子器件又首當(dāng)其沖，已有的電子制造方法大多昂貴、耗時、耗材及耗能。液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的出現(xiàn) [4]，被業(yè)界普遍認為，“找到了室溫下直接制造電子的方法，就意味著打開了極為廣闊的應(yīng)用空間乃至通過家用打印機制造電子器件的大門”。這一全新的電子制造模式，打破了傳統(tǒng)技術(shù)的瓶頸和壁壘，使得在低成本下快速、隨意地制作個性化電子電路特別是柔性功能器件成為現(xiàn)實，預(yù)示著一個人人觸手可及的電子制造時代的到來。

　　除了電子制造，液態(tài)金屬還賦予了我們各種重大技術(shù)暢想。比如在先進能源與動力系統(tǒng)如航空發(fā)動機冷卻方面，由于液態(tài)金屬直到2000ºC以上還處于液態(tài)，因而飛機發(fā)動機葉片冷卻可望迎來全新解決方案。在生物醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域，可發(fā)展出一系列超越傳統(tǒng)的診斷與治療技術(shù)，如液態(tài)金屬仿生器官、電子皮膚等。而在仿人機器人方面，類似于科幻電影《終結(jié)者》中的機器人那樣的液態(tài)金屬可變形機器人正被逐步探索。在超常規(guī)信息技術(shù)方面，液態(tài)金屬可變形計算機乃至量子計算機正開啟重大機遇。正如人類歷史文明啟示的那樣：“一類材料，一個時代”。如果說可以像歷史上那樣用金屬去刻畫一個時代的話，液態(tài)金屬或可部分用以定義其即將到來的新時代，即液態(tài)金屬時代。

　　2017年9月，在中國科協(xié)新觀點新學(xué)說專項支持下，題為“常溫液態(tài)金屬：將如何改變未來”的學(xué)術(shù)沙龍于北京舉辦，來自學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界及戰(zhàn)略研究等領(lǐng)域的專家學(xué)者齊聚一堂，展開了不設(shè)限的熱烈探討，各種觀點的碰撞激發(fā)出了新的思想火花，匯集了專家們在材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及柔性機器人等方面交流觀點和思考脈絡(luò)的文集也得以出版 [10]，展示了經(jīng)過深入討論所凝練出的若干個液態(tài)金屬新概念(如液態(tài)金屬量子計算機)、新效應(yīng)(如液態(tài)金屬類生命現(xiàn)象)、新觀點(如液態(tài)金屬可變形機器人)等。

　　正是在此次會議上，筆者應(yīng)邀就“液態(tài)金屬：無盡的前沿”、“液態(tài)金屬：構(gòu)筑全新的柔性智能機器人”以及“液態(tài)金屬：變革傳統(tǒng)的未來醫(yī)學(xué)技術(shù)”3個專題進行了解讀，并特別總結(jié)了液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)面臨的10個基礎(chǔ)問題：①決定液態(tài)金屬熔點的要素及固液相變機制;② 液態(tài)金屬軟物質(zhì)特性;③液態(tài)金屬多相體系奇異流體動力學(xué)問題;④液態(tài)金屬超高表面張力的成因;⑤液態(tài)金屬空間構(gòu)象轉(zhuǎn)換機理;⑥液態(tài)金屬外場作用下的宏微觀特性及量子效應(yīng);⑦液態(tài)金屬與其他材料的界面作用機制;⑧液態(tài)金屬微重力效應(yīng);⑨液態(tài)金屬多材料合金體系組合規(guī)律;⑩自驅(qū)動液態(tài)金屬機器效應(yīng)。報告最后筆者特別用“液態(tài)金屬：即將爆發(fā)的科學(xué)”予以結(jié)束。事實上，這一結(jié)語已完全被最近幾年全球范圍的液態(tài)金屬研發(fā)熱潮加以證實，從大量論文短時間爆發(fā)就可看出。

　　不過，也應(yīng)指出的是，任何新生事物的發(fā)展并非總是一帆風(fēng)順的，這可從液態(tài)金屬印刷電子學(xué)從概念孕育到工業(yè)化實踐中呈現(xiàn)出的波動性和漸進性特點略見一斑 [4]。實際上，這種情況幾乎發(fā)生在液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)的所有領(lǐng)域，正確的態(tài)度是適應(yīng)波折中的漸進發(fā)展。隨著研發(fā)的持續(xù)投入、技術(shù)的日益成熟和產(chǎn)品化不斷驗證，各新興領(lǐng)域總會迎來其輝煌的“高峰期”。

　　液態(tài)金屬印刷電子學(xué)從概念孕育到工業(yè)化發(fā)展路徑

　　當(dāng)前，世界科技正處于變革的新階段，以物質(zhì)、能量、生物和信息為特征的液態(tài)金屬前沿學(xué)科堪稱催生突破性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)變革的科技航母。液態(tài)金屬科學(xué)前沿涉及液態(tài)金屬物質(zhì)屬性的方方面面，如：電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、流體、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、傳感、柔性可變形機器效應(yīng)等，已展示出諸多可供探索的途徑和新方向。對這一領(lǐng)域的重要主題，如：液態(tài)金屬材料及其物質(zhì)基本屬性、表面和界面物理特性、流體效應(yīng)、驅(qū)動機制、熱學(xué)效應(yīng)、電學(xué)效應(yīng)、磁學(xué)效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)、傳感效應(yīng)、柔性可變形機器效應(yīng)、生物學(xué)效應(yīng)以及各種衍生出的問題加以探索，將迎來層出不窮的科學(xué)與技術(shù)突破?？梢哉f，未來已來的液態(tài)金屬時代已躍然入畫!