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          清華大學醫學院劉靜課題組首次提出輕量化液態金屬物質概念

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            近日,清華大學醫學院生物醫學工程系劉靜教授課題組在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上發表瞭題為“輕量化液態金屬物質”(Lightweight Liquid Metal Entity)的研究論文,首次提出瞭輕量化液態金屬物質的概念,並展示瞭這一全新材料的特性和用途,相應成果被選為期刊內背封面故事(圖1)。

          圖1.《先進功能材料》期刊內背封面故事反映的輕質液態金屬材料

            常溫液態金屬通常是指一大類熔點接近室溫的低熔點金屬。與傳統認知中的金屬不同,此類物質通常情況下呈液態,既具有液體良好的流動性,又擁有金屬材料優異的導電性與導熱性,且易於通過溫度調控使其在固液相之間快速切換,即表現出剛柔相濟的特點。由於這些因素,液態金屬在柔性電子、3D打印、芯片冷卻、生物醫學以及可變形機器人等領域得到瞭日益增長的應用。然而,常規的液態金屬材料自身密度通常很高,這會給由此制成的器件與裝備平添額外重量,造成相應能量消耗,也削弱瞭使用的靈活性。

            為改變上述現狀,劉靜課題組提出瞭旨在制造輕質液態金屬的基本思想,他們特別以共晶鎵銦合金及中空玻璃微珠為典型代表(圖2),制備出瞭密度僅為水的一半以至可漂浮於水面的輕量化液態金屬復合材料(圖3)。這種材料除保留瞭純液態金屬良好的導電性、導熱性、力學強度及固液相變特性(圖4)外,還擁有可塑性、可變形性乃至磁性等行為,作者們為此設計瞭系列平面及三維應用場景,並引入不同封裝方式實現瞭對材料漂浮行為的調控,展示瞭水面電路及水中機器人的潛在應用。

          圖2. 典型輕量化液態金屬復合物微觀結構的SEM與EDS圖

          圖3. 基於液態金屬-中空玻璃微珠制成的輕量化復合材料及對應密度

          圖4. 基於GaIn與玻璃微珠的輕量化液態金屬復合材料的力學與溫度斷裂行為

            論文在線發表後引發瞭國內外知名科學雜志或新聞網站的重視,《新科學傢》(New Scientist)、Deeptech深科技、物理學傢組織網Phys.org、Futurism及X-MOL、高分子科學前沿、學術頭條、鳳凰網、騰訊等對此進行瞭專題報道。

            輕質液態金屬物質概念的提出具有基礎科學意義和普適應用價值,由此開啟瞭一條研制新型液態金屬功能材料的基本途徑。原則上,結合各類液態金屬與對應的輕質改性物質,可賦予終端材料更多目標功能,從而能以一種材料形式同時將許多尖端材料的功能如電、磁、聲、光、熱、力學、流體、化學等集於一體,這是已有材料體系不易具備的,因而在許多場合十分有用,比如作為印刷電子墨水、3D打印材料、可註射金屬骨骼與牙科修復、血管栓塞及造影劑、水中機械電子設備、剛柔相濟型可穿戴外骨骼以及可變形柔性機器人等。

            此項研究中,論文第一作者為清華大學醫學院生物醫學工程系博士生袁博,通訊作者為清華大學醫學院生物醫學工程系教授劉靜。相應研究得到國傢自然科學基金重點項目及中科院前沿項目的資助。

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