饒偉
中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員
今天非常榮幸可以跟大家一起分享液態(tài)金屬的前世和今生。
室溫液態(tài)金屬
常見的室溫液態(tài)金屬有下面幾種類型。
一種是金屬汞。生活中常用的水銀溫度計當(dāng)中用到的材料就是汞，但是汞有毒，并且很容易揮發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)被國家全面禁用了。
第二類就是鈉鉀合金。我博士期間主要的研究對象就是鈉鉀合金。一般做實驗的時候肯定要把滅火器放在旁邊隨時備用，因為鈉鉀合金的化學(xué)性質(zhì)太活潑了，遇到水之后非常容易產(chǎn)生燃燒，甚至是爆炸。
再有一類液態(tài)金屬是金屬銫及銫的同位素。銫的同位素具有很強的放射性。
所以，從安全性的角度來說，這三類材料都不太適合在日常生活當(dāng)中對它進行操控和利用。
有沒有一類室溫液態(tài)金屬沒有毒，不揮發(fā)，同時化學(xué)性質(zhì)也沒有那么活潑，而且沒有放射性？
還真有，就是鎵以及它的二元、三元以及多元的合金。
鎵的合金的發(fā)現(xiàn)其實也有很長的歷史了，我們可以利用它高導(dǎo)熱的特點，把高密度熱流所產(chǎn)生的熱從一個地方轉(zhuǎn)移到另外一個地方實現(xiàn)有效的散熱。
2002年，我們團隊在國際上首次提出了基于室溫液態(tài)金屬的芯片冷卻技術(shù)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前液態(tài)金屬散熱在芯片散熱，LED燈，激光器等領(lǐng)域都開始發(fā)揮它相應(yīng)的作用。
近期我們也運用液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)給無人機定制了一個特殊的散熱系統(tǒng)。
這樣的無人機由于它加載了高功率密度的激光器，所以對散熱的要求是非常高的。液態(tài)金屬散熱以及相應(yīng)的熱界面材料可以很好解決它的散熱問題。
如果只是把液態(tài)金屬運用到散熱，今天的故事就可以結(jié)束了。但是，大家想聽的液態(tài)金屬機器人的故事還沒開始呢。
Part.2
開啟液態(tài)金屬機器人的大門
對于科學(xué)工作者來說，要想實現(xiàn)從液態(tài)金屬散熱到液態(tài)金屬機器人也是一個逐步探索的過程。在很長的時間里并沒有一個很好的解決辦法。
在一個很偶然的實驗中，我們把液態(tài)金屬、電解質(zhì)、電極這三個基本的要素結(jié)合在一起。
當(dāng)時在做一個利用液態(tài)金屬修復(fù)神經(jīng)的工作，當(dāng)把這三個要素結(jié)合在一起的時候，我們發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬可以在電極的引導(dǎo)下實現(xiàn)一個定向的運動。
這樣的一個很神奇的發(fā)現(xiàn)，可以說開啟了液態(tài)金屬機器人新世界的大門。
更進一步，我們希望這是可逆的，它的變形能否實現(xiàn)呢？答案是肯定的。
通過添加和去除液態(tài)金屬液滴表面的氧化層，在電場和化學(xué)場的協(xié)同作用下就可以實現(xiàn)可逆變形。
可逆變形：電化學(xué)協(xié)同控制
除了變形之外，液態(tài)金屬可以實現(xiàn)一個定向運動，在電場的引導(dǎo)下，它可以從空間的一端穿過比自身直徑小十幾倍的狹小的隙縫，運動到空間的另外一端。
變形+運動
遇到斜坡的時候它也可以很努力地像毛毛蟲一樣實現(xiàn)一個逆重力攀爬的結(jié)果。
電控逆重力攀爬
在這樣的實驗中實現(xiàn)了自由塑形的效應(yīng)，通過調(diào)控它的機理，可以輕松得到液態(tài)金屬線，三角形的液態(tài)金屬，以及正方形的液態(tài)金屬等等，當(dāng)然更多復(fù)雜的形狀也可以很輕松地得到。
自由塑形
剛剛展示的都是液態(tài)金屬在電場調(diào)控下的一系列行為。其他的外場有沒有可能對液態(tài)金屬產(chǎn)生影響呢？答案也是肯定的。
下圖展示的就是液態(tài)金屬在磁場的調(diào)控下合并并且逆重力攀爬的過程。
磁控：變形+運動
液態(tài)金屬磁性材料不但可以進行變形，還可以進行磁性的重構(gòu)，實現(xiàn)了柔性順磁性材料的很多新運用。
除了磁場之外，熱場也可以對液態(tài)金屬產(chǎn)生一定的調(diào)控，下面幾張圖展示了利用外激光對液態(tài)金屬復(fù)合材料進行自主調(diào)控的過程。
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Part.3
液態(tài)金屬機器人研究的分水嶺和進展
再往前我們希望能夠構(gòu)筑更加復(fù)雜，甚至更加智能化的液態(tài)金屬機器人。
提到智能化，有一類機器人就是類生物體的機器人，它最基本的特征就是可以在沒有任何外場的驅(qū)動下實現(xiàn)自主運動。
液態(tài)金屬機器人可不可以實現(xiàn)呢？
說到這兒，不得不提到我們又一個偶然的實驗發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時在實驗當(dāng)中，我們的同學(xué)希望找到一個東西撥動液態(tài)金屬液滴，當(dāng)時手邊并沒有什么工具，所以她隨手撕了一張鋁箔，撥動了這個液滴。
自驅(qū)動液態(tài)金屬機器人
沒想到這個液滴吃下了鋁箔，同時在電解質(zhì)溶液當(dāng)中實現(xiàn)了沒有外場驅(qū)動的自主旋轉(zhuǎn)長達一個多小時。在各種形狀的溝槽當(dāng)中，它也可以進行運動。
這樣的發(fā)現(xiàn)可以說是劃分液態(tài)金屬機器人研究分水嶺的事件，當(dāng)時也引起了非常大的影響，世界上主要的相關(guān)媒體都對這個現(xiàn)象做了相應(yīng)的報道，這也入選了當(dāng)年的兩院院士評選的十大新聞進展之一。
再往前進化，類生物體的機器人還有一個很卓越的特征：它一般是固液組合式的，就像人一般是由堅硬的骨骼和柔軟的肌肉所組成。
液態(tài)金屬機器人有沒有可能實現(xiàn)自驅(qū)動固液組合機器呢？
說到這兒又不得不提到我們另外一個偶然的發(fā)現(xiàn)。在自驅(qū)動機器人發(fā)現(xiàn)的過程當(dāng)中，我們的同學(xué)用到了鋁箔。在組合機器的實驗中，我們也想找到一個東西把液態(tài)金屬液滴挪到一個合適的位置。
這次我們的同學(xué)找到了一個比較靠譜的東西，就是銅絲，當(dāng)把這個銅絲插入到液態(tài)金屬液滴之后，液滴很迅速地把銅絲給吃了進去，它可以自激振蕩，同時我們還可以對振幅和頻率進行調(diào)控。
自驅(qū)動固液組合機器：自激振蕩效應(yīng)
生命最基本的特征是具有節(jié)律性和周期性，現(xiàn)在液態(tài)金屬的類生物體機器人也可以具有這樣的特性。所以這個效應(yīng)讓我們對液態(tài)金屬機器人有了更多的思考。
類生物體機器人還有一個基本的效應(yīng)就是胞吞效應(yīng)，液態(tài)金屬機器人可不可以實現(xiàn)這樣的一個功能呢？
類生物體特征：胞吞效應(yīng)
通過上面的動圖可以看到，液態(tài)金屬可以很輕松地把表面附著的一層銅顆粒吞入體內(nèi)，實現(xiàn)胞吞效應(yīng)。
說到類生物，我們知道自然界還有一類很神奇的生物體，可以通過變色，把自己和周圍的環(huán)境偽裝成一體，然后進行隱身。
液態(tài)金屬一直是以銀白色的金屬光澤來示人的，它有沒有可能變成各種各樣的顏色呢？
說到這兒，又不得不提到另外一個偶然的事件，當(dāng)時我們要拍一個科普視頻，所以就想重復(fù)一下液態(tài)金屬變形的實驗，我就安排了我的學(xué)生來重復(fù)這個實驗。
在他重復(fù)這個實驗的過程當(dāng)中，可能是經(jīng)驗不足，在液態(tài)金屬液滴當(dāng)中多加了一些鋁。
這使液態(tài)金屬在變形的同時還實現(xiàn)了一個變色的效果，從淡黃到棕色，然后再到更深的顏色，這個現(xiàn)象帶給我們非常大的驚喜。
類生物體特征：基于結(jié)構(gòu)色的變色效應(yīng)
為什么會有這樣一個變色的現(xiàn)象呢？
進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，它的變色其實跟它的氧化層的厚度有非常緊密的關(guān)系，氧化層改變了光路的影響。
類生物體特征：基于結(jié)構(gòu)色的變色效應(yīng)
掌握了這樣的基本原理之后，我們就對它的氧化層厚度進行了精密的調(diào)控。它可以變成黃色的液態(tài)金屬、黑色的液態(tài)金屬，甚至是五顏六色、彩虹色的液態(tài)金屬。
通過以上的介紹，大家可以發(fā)現(xiàn)目前液態(tài)金屬可以在各種外場，電、磁，甚至是聲、光、熱、化學(xué)等場的控制下實現(xiàn)各種各樣的功能。進化到現(xiàn)在，它也能跑會跳，能走會吃。
生命體的進化是一個非常有意思的過程，人類的產(chǎn)生也是從單細(xì)胞到多細(xì)胞，從水生動物再到陸生動物。
目前人類的進化經(jīng)歷了五億多年的光景。液態(tài)金屬機器人從最早的電控機器人的產(chǎn)生，到目前也只不過短短五年的光景。
在未來有沒有可能會產(chǎn)生突破碳基生命的液態(tài)金屬生命，像《終結(jié)者2》當(dāng)中的液態(tài)金屬機器人一樣，可以自我變形，自我修復(fù)，具有思維，具有運動能力等等？
我們認(rèn)為還是有這種可能性的。
在我們團隊發(fā)表液態(tài)金屬機器人相關(guān)的研究之前，國際上進行液態(tài)金屬研究的團隊可以說是屈指可數(shù)。
現(xiàn)在很多不同學(xué)科的研究者都涌入到液態(tài)金屬研究領(lǐng)域，相信這種多學(xué)科的交叉肯定會賦予液態(tài)金屬機器人更多新的生命。
Part.4
液態(tài)金屬的神奇應(yīng)用
液態(tài)金屬機器人確實非常神奇，在我們的實際生活當(dāng)中，除了散熱，液態(tài)金屬還可以有哪些神奇的應(yīng)用呢？
說到這兒我又不得不再次重提一下偶然事件。
我們在做實驗的過程當(dāng)中，很多次無意中把液態(tài)金屬液滴落在桌面上，或者是采集數(shù)據(jù)的電腦屏幕上。我們習(xí)慣性的動作就是去輕輕涂抹這一滴金屬，隨著涂抹，很多情況下會得到一條連續(xù)的金屬線。
所以，我們就想能不能用它來制作電子電路呢？
傳統(tǒng)電子電路的制作是非常繁瑣的，需要刻蝕，還需要很多復(fù)雜儀器的幫助。而液態(tài)金屬電子電路的制作過程是非常簡單的。
打破制造的不平等：通向普適制造的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)
像上面視頻當(dāng)中所展示的這樣，它可以直接把液態(tài)金屬墨水打印在機底上面，一步成形，不需要任何外部的輔助。
下面這些動態(tài)圖展示了液態(tài)金屬印刷電子在方方面面的應(yīng)用。它可以在智能空間，人機交互，柔性的電子屏，即學(xué)即用的教育學(xué)領(lǐng)域，甚至是在未來的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮神奇的作用。
科學(xué)與藝術(shù)的融合
還可以把液態(tài)金屬打印在織物上，利用液態(tài)金屬的光影效果和服裝本身的設(shè)計，達到一個特別美好的呈現(xiàn)。
除此之外，液態(tài)金屬還可以跟服裝進行有機結(jié)合。把液態(tài)金屬的柔性電路和充滿時尚感的服裝進行有機融合，液態(tài)金屬可以充當(dāng)服裝當(dāng)中電路的一個連接的橋梁，制造一個非常好的光效，相當(dāng)于把一片星空穿在了自己的身上。
最后，還有幾句想跟大家一起分享的話。如果大家問我有沒有一種材料可以滿足我們所有的想象？我的答案一定是液態(tài)金屬。
在我們發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬很多神奇效應(yīng)的背后，充滿了各種各樣的偶然性。但是，偶然性和必然性是相互關(guān)聯(lián)的。正是由于團隊長期對液態(tài)金屬工作的堅持，長期對它背后基礎(chǔ)科學(xué)的積累才有了很多意外的收獲。
不同于其他材料技術(shù)，很多是由國外先發(fā)現(xiàn)，然后我們再進行相應(yīng)的跟蹤模仿，二次創(chuàng)新，甚至是超越。而液態(tài)金屬相關(guān)的材料以及它的技術(shù)是發(fā)源于中國，壯大于中國的。
人們以石器時代、青銅器時代、鐵器時代、新材料時代來刻畫歷史文明的發(fā)展，可以看出材料、工業(yè)經(jīng)濟和人類文明的發(fā)展是息息相關(guān)的。
隨著更多液態(tài)金屬材料的發(fā)現(xiàn)，我們相信人類在未來也很有可能會進入液態(tài)金屬時代，利用液態(tài)金屬改變?nèi)藗兊恼J(rèn)知，改變我們的科學(xué)理念，改變我們的技術(shù)水平，進而改變我們?nèi)祟惖奈镔|(zhì)文明。
