清华大学联手中科院突破密度“结界”：全球首创轻质液态金属！
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科迷们看过《终结者》系列吗
电影为我们展示了
一种由液态金属组成的强大机器人
它们拥有着超强的塑形功能
能够随意变化外形
并且能快速恢复原貌
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《终结者》片段
看起来是不是很酷
杀伤力极强
无法毁灭的液态金属机器人
在当时看来是天马行空
然而
如今可能会得到实现
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近日 ， 来自中科院理化所和清华大学医学院生物医学工程系的刘静教授团队 ， 提出“轻质液态金属”概念 ， 并发明了一种前所未有的轻质量液态金属材料 ， 该项工作发表在期刊《先进功能材料》上 。
而且 ， 研究中所展示的液态金属材料 ， 在许多方面甚至优于“材料之王”石墨烯 。
研究中已展示的轻质液态金属 ， 具备了许多功能 ， 比如高导电性、磁性、可变形、可组装叠加、高导热性、可在液态和固态之间灵活转换特性等 。 这些是有机物不易具备之处 ， 也大多不是石墨烯的特性 。 石墨烯由于不易变成液体 ， 这使其在许多场合上的应用不及液态金属 ， 比如作为电子墨水、3D打印材料、注射骨骼、外骨骼、机器人 。
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我们常见的金属都是硬邦邦的固态 ， 那什么是液态金属呢？
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电子领域 ， 液态金属可以作为墨水用于3D打印直接生成电子电路；在医学领域 ， 因其与人类有良好的相容性 ， 可以将神经电信号连通 ， 用以修复断裂神经 。
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液态金属可以制造水下设备 ， 改造机器人或制造轻巧的外骨骼（来源：MandriaPix）
举个很常见的例子：水银 。 不过 ， 诸如水银这样的液态金属 ， 对于环境和人体健康有较大的损害 ， 这大大限制了它的应用范围 。 而且 ， 一般金属的密度都比较大 ， 如果在产品中加入大量的液态金属可能会使得产品难以携带 ， 这也成为液态金属不便应用的一个瓶颈 。
所以 ， 科学家们一直渴望完美的液态金属 ， 应当可塑性高 ， 对环境无害 ， 并且密度很轻 。
而刘静团队研发的复合材料（简称GB-eGaln）,是由空心玻璃微珠与液态金属构成 ， 其密度已从镓铟合金最初的幅值6.2g/cm3降低至0.5g/cm3以下 ， 使其拥有身轻如燕以至于可漂浮于水面的能力 。
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图丨放置于叶面上轻盈的心型空心玻璃微珠-镓铟共晶合金（来源：此篇论文）
基于如此思路合成的GB-eGaIn ， 还具有优秀的可塑性及可重构性 ， 可以先合成平面材料 ， 然后经过类似“折纸”的操作 ， 制作想要的结构 。 除此之外 ， GB-eGaIn还能利用模具制作复杂的三维结构 ， 例如下图中由GB-eGaIn制成的“小马” 。
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图丨GB-eGaIn制成的复杂结构举例（来源：此篇论文）
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开创性地提出了加入空心玻璃微珠制作符合液态金属材料的思路之后 ， 功能化液态金属材料的大门也得以打开 。
除了制作复杂结构 ， 研究团队发现 ， 通过对轻质液态金属材料进行再加工 ， 例如添加一些有特殊性质的材料（磁性材料等） ， 还可以赋予液态金属更多的功能性 。
文中提到了添加磁性材料的简单应用 ， 利用磁性材料可以控制GB-eGaIn在水中的浮沉以及定向运动 。
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图丨GB-eGaIn结合磁性材料在水中的实验（来源：此篇论文）
论文的最后一段 ， 研究团队就提出 ， 未来的研究方向可能为在空心玻璃微珠的空心结构中加入磁性、电学特性等功能材料 ， 能够大大地增加液态金属功能性 。
刘静还提出了更多的设想：“GlassBubbles可做成真空 ， 厚薄度及尺寸等可调 ， 沿此路线 ， 甚至可实现能漂浮于空气中的轻质液态金属 ， 这会打开许多应用的想象空间 。 本文展示的液态金属物密度已覆盖较大范围 ， 从水的几分之一到数倍 。 实际上 ， 除了GlassBubbles外 ， 各种各样的外来物均可加载到液态金属中形成轻质材料 ， 比如塑料、木材、轻金属以及磁性、光学材料等等 。 本文方法开启了一个研制轻质液态金属的方向和应用 。 ”
功能性材料最终目的还是落在实际应用层面 。 这种轻质液态金属材料 ， 制程以及材料本身对于环境的影响也不大 ， 在应用层面来说应当是前途无限的 。
关于应用层面 ， 刘静也显得十分乐观 ， 提出了一些十分有趣的方向 ， 也足见刘静是十足的科幻迷：
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未来应用方向多元化
1.可变形柔性机器人（类似于科幻电影《终结者》机器人）；
2.用于单兵保护的可在固态和液态之间切换的刚柔相济型轻质外骨骼（类似于科幻电影《阿丽塔》《钢铁侠》中的皮肤）；
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3.可注射骨骼 ， 用于人体受损骨骼包括牙齿等的快速修复（类似于科幻电影《金刚狼》）；
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4.轻质舒适型可穿戴电子；
5.类似于潜艇那样的可在海水中上浮下沉的柔性机器人；
6.空中航行执行任务的可变形飞行器 。
当然 ， 在工业应用方面仍有需要攻克的技术难题 ， 例如：
制成材料的质量和均匀性、稳定性；
成品材料多次重复使用的均匀性、可靠性；
特定性能的保障 ， 如电学特性、磁性、固化后强度、刚度等；
与外界调控单元的结合比如刚柔相济型人体外骨骼系统研制等难题 。
“这些难题均需要通过从底层材料、加载物以及制备工艺、应用系统等多个环节加以保障 ， 甚至针对特定应用包括生物医学应用场合 ， 还需考察更多如生物相容性问题等等” ， 刘静说 。
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尽管现阶段
类似科幻电影中
液态金属应用的实现仍有距离
但现在
至少我们又拥有了一个新可能性的开始
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来源：@DeepTech深科技、学术头条
赵英明老公 ， 我劝你把这些东西一起买了
成都有AI ， 看病更有“爱”！
寒假还没结束 ， 五一又来了？？
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【清华大学联手中科院突破密度“结界”：全球首创轻质液态金属！】
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