干货分享液态金属科技与工业的崛起（进展与机遇）

　　【液态金属的崛起】
　　人们对液态金属的第一印象，大多来自科幻影片《终结者》，无所不能的机器人正由液态金属制成。当前，随着科学研究的深入和发展，大量液态金属技术以及由此制成的先进装备正在成为现实。在很大程度上可以认为，液态金属就是介乎机器与人之间的尖端功能材料，蕴藏着丰富的科学、技术与应用问题〔1〕。现实中的常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，典型类型有镓基合金、铋基合金及其衍生材料；具有诸多新奇特性，为新兴科学与技术前沿提供了重要启示和丰富的研究空间。近年来，得益于国内外学者特别是中国研究团队在基础探索与工业化实践〔2〕方面的开创性工作，液态金属物质科学已从最初的冷门发展成为备受国际关注的重大科技前沿热点，影响范围甚广。
　　2011年诺贝尔化学奖得主、以色列理工学院教授DanShechtman曾指出：今天技术的最大限制，主要来自材料的限制。液态金属及其衍生材料的出现，打通了许多应用技术的瓶颈环节，促成了众多颠覆传统的产业应用。自21世纪初起，中国研究团队在这一重大科技领域发挥了系统性、开创性作用，揭示了液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径；促成了一系列高新技术产业的形成，提出并推动了液态金属谷和液态金属全新工业的创立与发展。近年来，国际上一些科研机构也相继启动液态金属探索，取得可喜进展。液态金属研究与应用渐入佳境，反映了一个重要科技和产业领域的形成和演进态势。
　　本文旨在对液态金属的基础问题和典型进展予以剖析，阐述这一重要前沿在催生突破性科学与产业方面的价值，重点包括电子信息、能源、先进制造、柔性机器人、生物医疗等领域；论述液态金属物质科学在开辟全新工业方面的角色和作用，阐述建设液态金属谷以及产业集群的前期实践情况，探讨面临的重大发展机遇，以期为我国新材料产业发展提供前沿参照。
　　【液态金属的材料及其属性】
　　顾名思义，液态金属指在室温附近或更高一些的常温下呈液态的金属，又称低熔点金属。典型的有镓基、铋基金属及其合金，因其安全无毒、性能卓越，正成为异军突起的革命性材料；其他如汞、铯、钠钾合金等，虽在常温下也处于液态，但具有毒性、放射性或危险性，在应用上受到很大限制。与低熔点金属形成对比的是，在高温（如600700）条件下才能呈现液态的金属或其合金，称为高熔点金属，作为经典冶金材料内容已被广泛研究。
　　相较而言，在世界范围内，很长一段时间常温液态金属被忽视了。而近年来取得的颠覆性发现和技术突破，更多体现在揭示常温液态金属的基础科学现象与重大应用途径方面。液态金属在常温下可流动、导电性强、热学特性优异、易于实现固液转换，因沸点高（温度高达2300时仍处于液相）而不会像水那样沸腾乃至爆炸；可以说仅用单项材料就将诸多尖端功能材料的优势集于一体，有望突破许多传统技术的应用瓶颈，据此打开极为广阔的产业应用空间。
　　通常可供直接使用的常温液态金属种类比较有限。自然界中常温下呈液态的纯金属主要有汞、镓、铯，熔点分别为38。87、29。8、28。65。鉴于液态纯金属种类稀少，一般在实际中使用的是液态合金材料，需具备以下特点：物理化学性能优良，如高热导率、电导率、低粘度等；环境友好、无毒无害、非易燃易爆、易于回收利用，具有较低的蒸汽压和挥发性；成本宜尽可能低。也因如此，阻碍液态金属快速发展和应用的瓶颈之一就是缺乏足够多的可选材料以及对相应材料属性的认识。为改变这种现状，国内研究团队提出了液态金属材料基因组计划〔3〕，旨在发现新的液态金属功能材料，进而解决材料种类短缺的问题。探索和发现更多的液态金属复合材料以满足日益增长的实际需求，这是领域研究的持续方向。
　　图1液态金属和应用柔性电路领域的改性液态金属油墨
　　【液态金属的前沿化应用】
　　液态金属印刷电子与3D打印：近年来，柔性电子在医疗健康检测、智能机器人以及柔性电子皮肤等领域的研究越来越多，制备具有高延展性的柔性电路成为柔性电子应用的关键。利用纳米复合材料以及离子凝胶等制备弹性导电体是目前主流的柔性电路制备方式，但是目前仍存在着高延展性与高导电性无法同时满足等问题。镓基合金作为一种室温下以液体形式存在的金属材料，采用镓基金属作为导体材料成为目前制备柔性电路中的一个新的策略。不同于传统电路制备方式，液体金属通常以液体油墨的形式进行印刷，而选择性润湿是目前液体金属电路印刷的主要方式之一，因此对于调控液体金属浸润性的方法研究至关重要。
　　传统电子制造工艺繁多，涉及从基底材料制备到形成互连所需的薄膜沉积、刻蚀、封装等环节，消耗了大量的原料、水、气和能源。为改变这一现状，我国学者首次提出了液态金属印刷电子学、室温金属3D打印〔45〕等创新思想，建立了相应的理论与技术体系，研制了系列化的新型设备，通过印刷方式在各种柔性、刚性基材甚至人体皮肤上直接制造出目标电路、元器件、集成电路和终端功能器件。
　　图2液态金属电子应用场景
　　液态金属栓塞血管治疗肿瘤技术、碱金属流体热化学消融治疗肿瘤法、注射式低熔点金属骨水泥、刚柔相济型液态金属外骨骼、印刷式液态金属柔性防辐射技术、植入式医疗电子在3D打印与注射电子，液态金属皮肤光热转换与电磁学、液态金属医学传感技术等，也因崭新学术理念和技术突破性而引起多方重视〔6〕。
　　图3肿瘤治疗用液态金属皮肤光热涂覆材料与柔性生物医学电子应用
　　【参考文献】
　　〔1〕刘静。液态金属物质科学基础现象与效应〔M〕。上海：上海科学技术出版社，2019。LiuJ。Fundamentalphenomenaandscientificeffectsofliquidmetalmatter〔M〕。Shanghai：ShanghaiScientificTechnicalPublishers，2019。
　　〔2〕刘静，杨应宝，邓中山。中国液态金属工业发展战略研究报告〔M〕。昆明：云南科技出版社有限责任公司，2018。LiuJ，YangYB，DengZS。ResearchreportonthedevelopmentalstrategyofChinaliquidmetalindustry〔M〕。Kunming：YunnanScienceandTechnologyPressCo。，Ltd。，2018。
　　〔3〕WangL，LiuJ。Liquidmetalmaterialgenome：Initiationofanewresearchtracktowardsdiscoveryofadvancedenergymaterials〔J〕。FrontiersinEnergy，2013，7（3）：317332。
　　〔4〕ZhangQ，ZhengY，LiuJ。Directwritingofelectronicsbasedonalloyandmetalink（DREAMInk）：Anewlyemergingareaanditsimpactonenergy，environmentandhealthsciences〔J〕。FrontiersinEnergy，2012，6（4）：311340。
　　〔5〕ZhengY，HeZZ，YangJ，etal。Directdesktopprintedcircuitsonpaperflexibleelectronics〔J〕。ScientificReport，2013，3：17。
　　〔6〕WangXL，YaoWH，GuoR，etal。SoftandmoldableMgdopedliquidmetalforconformableskintumorphotothermaltherapy〔J〕。AdvancedHealthcareMaterials，2018，7（14）：19。