清华刘静课题组首次提出轻量化液态金属物质概念 展示水中机器人的潜在应用

近日，清华大学医学院生物医学工程系刘静教授课题组在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表了题为“轻量化液态金属物质”（Lightweight Liquid Metal Entity）的研究论文，首次提出了轻量化液态金属物质的概念，并展示了这一全新材料的特性和用途，相应成果被选为期刊内背封面故事（图1）。

图1.《先进功能材料》期刊内背封面故事反映的轻质液态金属材料

常温液态金属通常是指一大类熔点接近室温的低熔点金属。与传统认知中的金属不同，此类物质通常情况下呈液态，既具有液体良好的流动性，又拥有金属材料优异的导电性与导热性，且易于通过温度调控使其在固液相之间快速切换，即表现出刚柔相济的特点。由于这些因素，液态金属在柔性电子、3D打印、芯片冷却、生物医学以及可变形机器人等领域得到了日益增长的应用。然而，常规的液态金属材料自身密度通常很高，这会给由此制成的器件与装备平添额外重量，造成相应能量消耗，也削弱了使用的灵活性。

为改变上述现状，刘静课题组提出了旨在制造轻质液态金属的基本思想，他们特别以共晶镓铟合金及中空玻璃微珠为典型代表（图2），制备出了密度仅为水的一半以至可漂浮于水面的轻量化液态金属复合材料（图3）。这种材料除保留了纯液态金属良好的导电性、导热性、力学强度及固液相变特性（图4）外，还拥有可塑性、可变形性乃至磁性等行为，作者们为此设计了系列平面及三维应用场景，并引入不同封装方式实现了对材料漂浮行为的调控，展示了水面电路及水中机器人的潜在应用。

图2. 典型轻量化液态金属复合物微观结构的SEM与EDS图

图3. 基于液态金属-中空玻璃微珠制成的轻量化复合材料及对应密度

图4. 基于GaIn与玻璃微珠的轻量化液态金属复合材料的力学与温度断裂行为

轻质液态金属物质概念的提出具有基础科学意义和普适应用价值，由此开启了一条研制新型液态金属功能材料的基本途径。原则上，结合各类液态金属与对应的轻质改性物质，可赋予终端材料更多目标功能，从而能以一种材料形式同时将许多尖端材料的功能如电、磁、声、光、热、力学、流体、化学等集于一体，这是已有材料体系不易具备的，因而在许多场合十分有用，比如作为印刷电子墨水、3D打印材料、可注射金属骨骼与牙科修复、血管栓塞及造影剂、水中机械电子设备、刚柔相济型可穿戴外骨骼以及可变形柔性机器人等。

此项研究中，论文第一作者为清华大学医学院生物医学工程系博士生袁博，通讯作者为清华大学医学院生物医学工程系教授刘静。相应研究得到国家自然科学基金重点项目及中科院前沿项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709