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理化所等應邀撰文評述液態金屬復合材料新方向
發布:blast_k   時間:2020/6/10 16:02:55   閱讀:152 
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近日,應Cell姊妹期刊Matter之邀,中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合小組發表了一篇題為Liquid Metal Composites 的長篇評述文章(Chen et al., Matter, 2(6): 1446-1480, 2020),首次對近年來新出現的液態金屬復合材料的興起緣由、發展歷程、典型應用、最新進展以及面臨的挑戰和機遇進行了系統總結和展望。文章第一作者為理化所博士生陳森,通訊作者為教授劉靜。

眾所周知,材料是人類賴以生存和發展的物質基礎,被認為是推動現代文明的三大支柱之一。幾千年來,人類創造了無數異彩紛呈的材料技術。這其中,金屬作為至關重要的組成要素,被廣泛應用于各行各業。正是源于金屬對人類文明的重大支撐作用,人類歷史長河中的多個重要時期均以某種標志性金屬加以命名,如:青銅器時代、鐵器時代等。進入現代信息時代以來,千姿百態的金屬材料更在社會飛速發展中大顯身手。通常情況下,人們普遍關注得更多的是金屬的強度、硬度及韌性,而對其流體狀態及性質乃至應用則頗多忽視,一個核心原因在于常規金屬如銅、鐵等的熔點動輒上千攝氏度,對于需如此高溫才可能變成液體的金屬,液態只是其制備與成型過程中的中間態,是很難被加以利用的。

近年來的大量突破性工作表明,金屬若能在常溫下予以液態化,其本身就蘊藏著巨大價值,比如廣泛見諸體溫計、血壓計等領域的水銀(Hg)就是其中的典型代表,然而頗為遺憾的是這類材料的高毒性往往讓人望而卻步,也因此在很大程度上削弱了業界對液態金屬的興趣。由于這樣的思維慣性,人們在相當長時間內未能充分意識到在水銀之外還存在著大量安全無毒、應用空間更為廣闊的常溫液態金屬,如鎵或其合金以及鉍基合金等,因此相應研究和實踐在全球范圍一度處于沉寂。本世紀以來,隨著低熔點金屬首次被引入到消費電子領域量大面廣的計算機芯片冷卻行業,以應對日益嚴峻的“熱障”難題以來,液態金屬物質科學的勃勃生機和活力得以被大大激發出來,催生了無數極富想象力的變革性應用(圖1),為許多新興科技與產業打開了前所未有的空間。

經過十數年的發展,常溫液態金屬以其優異的導電率、導熱率、生物安全性以及非凡的流動性,逐漸成為許多前沿科學和技術領域中備受重視的熱點材料,促成了一系列基礎發現和顛覆性應用成果的取得。然而,迄今業界所能獲得的液態金屬種類及其理化性質仍然十分有限,遠不能滿足林林總總的獨特需求。正是在這樣的態勢下,液態金屬復合材料(圖2)得以應運而生,成為打破已有技術應用瓶頸的不二選擇以及發展高新材料的核心生長點。這一材料創制的基本原理在于以液態金屬為基礎成分或擴展載體,結合各類協同物質如納米材料、聚合物、功能物以及相應的物理化學合成工具,旨在實現所預期的性能優異的終端材料,該方向正在促成許多全新材料的發明和研制。僅就液態金屬復合材料而言,近年來由理化所與清華大學聯合小組首創、發現和定義并產生重要影響的一些全新概念及技術,如不完全列舉就有:“自驅動液態金屬機器-Self Fueled Liquid Metal Machine”、“多孔液態金屬-Porous Liquid Metal”、“液態導電-絕緣轉換材料-Liquid Conductor Insulator Transition Material”、“輕質液態金屬物-Lightweight Liquid Metal Entity”、“液態金屬胞吞效應-Liquid Metal Phagocytosis”、“納米液態金屬-Nano Liquid Metal”、“液態金屬填充物-Liquid Metal Filler”以及“智能液體集成功能體: Intelligent Liquid Integrated Functional Entity (I-LIFE)”等,這些工作開辟出了一系列獨特的功能材料發展方向。

實際上,復合策略在幾乎所有的材料研發過程中均扮演著關鍵角色。從理論上講,液態金屬的各種功能均可由此加以設計。因此,在很大程度上可以認為,對于即將來臨的液態金屬時代,最終真正得到大規模廣泛應用的往往就是這樣的復合材料。然而,與巨大的需求相比,液態金屬復合材料的研究與應用才剛剛拉開帷幕。為促成這一新興方向的持續發展,聯合團隊結合實驗室多年來的研究積累以及國內外最新進展,系統總結和評述了實現液態金屬復合材料的基本途徑,特別歸納和討論了具有核-殼結構的液態金屬復合材料,液態金屬-聚合物復合材料以及液態金屬-顆粒復合材料等的基本特點和應用問題,剖析了尋找先進功能材料的基本理論與技術策略,對于未來研發新一代液態金屬材料技術具有基礎性指導意義。

以上研究得到國家自然科學重點基金、中科院院長基金及前沿項目等支持。


圖1. 生物醫學、柔性電子、熱管理與軟體機器等廣泛領域中的液態金屬


圖2. 液態金屬復合材料的典型類別

來源: 理化技術研究所

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