在領先世界的液態金屬方面，我國科學家再次實現了新突破。近日，中國科學院理化技術研究所雙聘研究員、清華大學醫學院生物醫學工程系教授劉靜團隊首次提出“輕質液態金屬”的概念，研發出了密度低於水的液態金屬複合材料，為打造液態金屬機器人奠定基礎。

據悉，該團隊名為Lightweight Liquid Metal Entity（輕質液態金屬）的論文已於2020 年2 月17 日登上《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。

密度低於水的液態金屬複合材料

“液態金屬”，是一種不定型、可流動液體的金屬，可看作是由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。作為可變形智能機器的基本要素，液體金屬為可變形體（尤其是液體機器）的設計、製造開闢了全新途徑。正如劉靜教授所說：

柔性機器、可變形機器在材料學和機器學中是一個非常重要的領域，而柔性正是液態金屬特有的行為。

但同時，液態金屬的一個缺點在於密度較高，這就意味著給機器增加了額外重量，其便利性因而被削弱。

為解決這一問題，劉靜團隊提出了“輕質液態金屬”——一種由空心玻璃微珠（Glass Bubbles）和鎵銦共晶（eGaIn）組成的非常規超輕材料 GB-eGaln。

下圖a 為空心玻璃微珠結構示意圖，b 為玻璃氣泡的真實照片（左）和顯微鏡照片（右）。

共晶是一種物理現象，指一定成分的合金液體在低於任一種組成物金屬熔點的共晶反應溫度下，冷卻、凝固、結晶為兩種或更多緻密晶體混合物。顧名思義，鎵銦共晶便是鎵（Ga）和銦（In）兩種金屬的混合物，密度為6.25 g/cm³（溫度25 °C 時）。

【相同重量（10 g）的 eGaIn 和 GB-eGaln 的比較】

而GB-eGaln 密度低於2.010 g/cm³，甚至可達0.448 g/cm³，比水（密度1 g/cm³）更輕——這是由於水和液態金屬對玻璃表面有不同的親和性，當接觸到水後，GB-eGaln 內部結構會變為玻璃微珠- 水（GB-water），這便引起了密度的變化。

下圖為不同eGaIn 體積百分比（ϕ = 0%，6%，12%，18%，24%，30%，36%）的GB-eGaIn 密度變化（K1，Q25，Q46 為空心玻璃微珠的3個種類）。

2014 年5 月，劉靜團隊發表的名為Diverse Transformations of Liquid Metals Between Different Morphologies（不同構象之間的液態金屬多變形性）的論文，揭示了室溫液態金屬（Room-temperature liquid metal）具有可在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力。

實際上，經溫度調節，GB-eGaln 也可保持優異的適形性、導電性，可在完全柔軟和堅硬的狀態之間自由切換。據悉，GB-eGaln 可成型為薄片，也可構築成三維立體結構，重複使用8 次後功能無明顯損失（如下圖）。

在此基礎上，研究團隊還將GB-eGaln 結合磁鐵，設計了浮力部件，提供開關和負載元件的功能。研究團隊表示，有望在不久的將來利用 GB-eGaln 製造出軟體機器人及智能水下裝置。

中國領先世界的液態金屬

實際上，我國在液態金屬方面領先世界，而與這一成就最密不可分的一個名字便是劉靜。劉靜教授是清華大學較早的一批直博生，1992 年本科畢業後開始專攻生物傳熱學。

作為入選了中科院、清華大學“百人計劃”的生物傳熱學專家，其研究方向包括低溫生物醫學工程學、常溫及高溫生物醫學工程學、微/納米流體與熱學技術、先進熱管理技術、超常規能源技術等等。2014 年9 月，劉靜教授更是在日本京都召開的國際傳熱大會上獲得了每4 年頒發一次，每次僅有1 名獲獎者的傳熱學界“終身成就獎”威廉•伯格獎（The William Begell Medal）。

2001 年，劉靜教授的一個顛覆性想法“液態金屬在室溫下可以流動，那麼，為何不能將其與芯片冷卻建立起關聯？”幫他打開了“新世界的大門”，隨後不斷引起世界轟動。

劉靜團隊近年來在液態金屬方面取得突破的大致時間線如下：

• 2013 年，首次發現電場控制下液態金屬與水的複合體可在各種形態及運動模式之間發生轉換的基本現象；首次發現液態金屬在吞食少量鋁後，能自主高速運動且能變形的奇異行為；通過把液態金屬做成打印“墨水”，首次研發出紙上直接生成電子電路的技術；
• 2015 年，研發出世界首台自驅動液態金屬機器，為研製實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器甚至液態金屬機器人奠定基礎；
• 2016 年，報導了一種異常獨特的液態金屬固液組合機器的自激振盪效應，驗證了其在藥物遞送方面的潛在價值；研發出一種以柔性可變形“車輪”驅動的微型車輛；
• 2019 年，研發出一種液態金屬電子紋身，為個性化醫療及可穿戴設備提供新的解決途徑；首次系統地提出了旨在研製未來尖端柔性機器人的一般原則“液體集成”（I-LIFE） ，為研製接近動物和人體功能的全新一代尖端柔性機器人打下堅實基礎；報導了一種全新的功能複合型腫瘤栓塞劑液態金屬/海藻酸鈣（LM/CA）水凝膠，可製成具有特定功能的腫瘤製劑。

而對於已取得的成就，劉靜教授表示：

如果做出來的東西能夠有幸真正為世人所用，哪怕只有一小點，我想那就是最大的滿足和成就了。