作者:沈春蕾 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/11/4 20:16:49
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液态金属将带来技术领域的新变革


 

 一根处理过的铜丝被液态金属迅速吞入,随后在液态金属机体上做长时间往复穿梭运动,如同一根正在演奏中的小提琴琴弦。

不久前,在中国科学院理化技术研究所研究员刘静的实验室里,科研人员向《中国科学报》记者介绍了他们首次发现并报道的上述奇妙现象。这里的室温液态金属是一大类物理化学行为十分独特的新兴功能物质,然而其诸多属性和用途却长期鲜为人知。

刘静率团队跟液态金属打了十多年交道,率先揭开了液态金属诸多全新的科学现象、基础效应和变革性应用途径,在广泛应用领域实现了全面突破,相关成果被认为是人类利用金属的第二次革命。

“雀跃”的液态金属

镓基液态合金可在“吞食”少量物质后,以可变形机器形态长时间高速运动,实现无需外部电力的自主运动。刘静团队在世界上首次发现了这种异常独特的现象和机制。

“我们的发现将为可变形液态金属机器人的研制开辟新通道。”刘静告诉《中国科学报》记者,“比如,研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属柔性智能机器人。”

刘静将团队的发现命名为“液态金属软体动物”。它们一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物,比如:能“吃”食物(燃料)、能自主运动、可变形、具备一定代谢功能(化学反应)。

团队发现的自驱动液态金属机器引申出了全新的可变形机器概念,刘静认为这将显著提速高级柔性智能机器与高仿生机器人的研制进程,同时对于发展超越传统的柔性电源和机械动力系统也极具价值。

因此,刘静团队的此项研究入选“2015两院院士评选中国十大科技进展新闻”,刘静本人也入选“CCTV科技盛典2015十大创新人物”。

今年早些时候,刘静团队还首次报道了一类有趣的液态金属褶皱波效应:浸没于环状石墨电极之间电解液中的液态金属,可在电磁场诱导下形成各式各样对称的褶皱波图案。

因为外加电场改变了液态金属表面的电荷分布,继而形成表面张力梯度,由此导致的电毛细力会使得液态金属发生对称形变。刘静向记者进一步解释了该原理,结合表面张力以及石墨电极与永磁体作用,液态金属可因洛伦兹力发生旋转继而失踪,由此形成更为丰富的流体形态。

刘静希望能够穷尽一生的努力去发现液态金属更多有趣的现象,并揭示其原理和机制,最终可将液态金属应用于各行各业。

梦之墨的诞生

众所周知,金属3D打印是当今增材制造领域的难点和制高点,由于受技术瓶颈及成本限制,现有装备一般限于工业级应用,尚无法实现大众化和普及化。刘静团队不仅首次提出室温3D金属打印、液相打印以及机电一体化复合打印技术,还研发出商用设备。

刘静团队提出了一系列快速制造电子电路及功能器件的学术思想、技术发明以及旨在发现新型电子墨水的液态金属材料基因组策略,被认为有望改变传统电子及集成电路制造规则。

这里的液态金属印刷电子学颠覆了传统电子工程学的制造理念,其“所见即所得”的电子直写模式为发展普惠型电子制造技术、重塑个性化电子提供了变革性途径,且快速、绿色、低成本。

经过刻苦攻关,刘静团队研发出世界首台液态金属桌面电子电路打印机,该液态金属打印机解决了金属墨水表面张力高难以通过常规方法平稳驱动的难题。

在此基础上,团队还首次提出并证实了可在任意固体表面和材质上直接制造电子电路的打印技术,研制出具有普适意义的液态金属喷墨打印机,从而使得“树叶也可变身电路板”。

这项电子电路打印技术被业界评论认为“围绕在不同表面打印电路的竞赛可以终结了”,同时也打破了个人电子制造技术的瓶颈和壁垒,使得在低成本下快速、随意制作电子电路特别是柔性电子器件成为现实,预示着电子制造正逐步走向平民化。

刘静指出:“我们的液态金属3D打印技术改变了传统3D打印主要限于聚合物或高熔点金属的格局。”在“大众创业,万众创新”的巨大需求下,刘静开始尝试将实验室里的技术推向市场。

2014年年末,刘静在中关村创设了北京梦之墨科技有限公司(以下简称梦之墨)。2015年,世界首座液态金属科技馆在云南宣威拔地而起,世界首条液态金属电子手写笔生产线和电子油墨生产线也在当地建成。

未来应用的展望

未来,液态金属还有很多可以大展拳脚的领域,比如在医疗健康领域,独特的液态金属材料将带来观念性变革。

针对若干世界性重大医学难题和技术挑战,刘静团队构建了液态金属生物材料学全新领域,他介绍说:“我们的研究涉及神经连接、血管造影、肿瘤治疗、骨骼修复、注射电子、皮肤电子等核心问题,这些方法颠覆了传统医学科学理念,突破了已有技术的瓶颈,将为全新医疗技术体系的创建带来新曙光。”

比如,刘静团队研发了一种全新原理的液态金属神经连接与修复技术,通过迅速建立损伤神经之间的信号通路及生长空间,可大幅提高神经再生能力并显著降低肌肉功能丧失的风险。

与此同时,由于液态金属在X射线下具有很强的显影性,因而在完成神经修复之后很容易通过注射器取出体外,可避免复杂的二次手术。这一方法为神经连接与修复这一世界性医学难题的解决开辟了全新方向,被认为是“令人震惊的医学突破”。

谈及应用,刘静深感欣慰,这么多年来,在他的实验室里诞生了“第一张灌注液态金属的心脏图像”“液态金属人体外骨骼技术”“一个化学常识引发的颠覆性肿瘤治疗方法”“世界首个液态金属机器人”……

他由衷地感慨道:“一个人的时间和精力太有限了,我希望能潜心科研,掌握更多液态金属的特质,至于产业化的推广我和团队欢迎能有更多专业人士加入,大家共同推动液态金属在各技术领域带来颠覆性变革。”

 
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