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聽到液態(tài)金屬你會(huì)想到什么？汞？還是電影《終結(jié)者》中某個(gè)壞boss？

不過面對這個(gè)問題，North Carolina State University的化學(xué)工程學(xué)教授Michael D. Dickey想的跟你可大不一樣。在他們的腦海中，浮現(xiàn)出的是鎵以及鎵的合金。North Carolina State University是世界上為數(shù)不多的研究這種特殊材料的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，不過，他們的同伴很快就會(huì)多起來，因?yàn)檫@種材料正在柔性可伸展電子設(shè)備領(lǐng)域大展身手。

說到可伸展電子設(shè)備，現(xiàn)代青年肯定不會(huì)陌生，通過把柔性電路整合到貼身運(yùn)動(dòng)服或者植入到人體內(nèi)，這種新型電子設(shè)備正在改變我們對于運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域的認(rèn)知。而液態(tài)金屬除了在上述設(shè)備中扮演重要角色，在微流體領(lǐng)域中也得到了應(yīng)用。

夢幻般的材料

如果你聽上一段Dickey和他的同事們對于鎵類液態(tài)金屬的性質(zhì)描述，你會(huì)懷疑是不是在看一部科幻大片。鎵的熔點(diǎn)在30攝氏度左右，擱在手中甚至就會(huì)化掉。另一方面，鎵由很難凍成固體，是因?yàn)橥鶗?huì)出現(xiàn)“過冷”現(xiàn)象。所謂的“過冷”，是指即便溫度降到熔點(diǎn)一下，如果不受擾動(dòng)，鎵就會(huì)維持液體性狀。而一旦受到擾動(dòng)，則相當(dāng)于認(rèn)為引入了結(jié)晶成核位點(diǎn)，鎵就迅速固化。

鎵還有其他一些科幻般的性質(zhì)，比如在超過2000度溫度范圍內(nèi)都是液態(tài)；另外當(dāng)其固化時(shí)則會(huì)膨脹。所以，鎵擁有幾乎為零的蒸汽壓，這意味著它在真空下也不會(huì)揮發(fā)——這種性質(zhì)一般屬于粘稠液體，但鎵的粘度卻僅僅是水的兩倍而已。

不過，鎵最炫酷的性質(zhì)莫過于其表面化學(xué)性質(zhì)。鎵或其合金接觸空氣后，馬上會(huì)在其表面生成成分為Ga2O3的納米級薄膜，對內(nèi)部金屬起到了物理保護(hù)的作用。借助于針頭，研究者可以把鎵金屬畫成任意圖案，并可以保持其固定形狀，這種過程有點(diǎn)像在蛋糕上點(diǎn)綴糖霜——只不過這里的“糖霜”是金屬，而畫作可以是電子電路。畫的過程中要分外小心，一旦圖案過于密集，表面保護(hù)膜便會(huì)受損，液態(tài)金屬便會(huì)流動(dòng)，直到新的保護(hù)膜形成。

面點(diǎn)師在制作蛋糕圖案的時(shí)候，要掌握點(diǎn)綴器嘴的種類、噴點(diǎn)的速度以及其他各種條件。而液態(tài)金屬研究者在制作金屬圖案的時(shí)候，跟這個(gè)有點(diǎn)像。兩年前，Kramer領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在研究eGaln合金的時(shí)候，詳細(xì)考究了噴嘴直徑、流動(dòng)速率、針-面間距對金屬圖案的影響，eGaln是以質(zhì)量3:1混合的鎵銦合金，熔點(diǎn)在15.5℃。

借助于機(jī)械化電腦平臺(tái)，該研究小組可以在玻璃或者聚合物PDMS表面畫出各種圖案。隨后，研究者使用顯微鏡來研究了氧化物保護(hù)膜與其基底表面的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，圖案可以穩(wěn)定地存在，這是因?yàn)檠趸飳优c基底的結(jié)合傾向要比合金穿過保護(hù)膜彼此溶合的傾向還要大。有了這些初步發(fā)現(xiàn)，他們可以進(jìn)一步地優(yōu)化其圖案打印方案。

研究者隨后展示出了液態(tài)金屬可以制作一些功能性器件——比如應(yīng)力計(jì)。通過測量電路導(dǎo)電能力的變化，應(yīng)力計(jì)可以測出一種材料發(fā)生形變的大小。

可穿戴設(shè)備的福音

鎵金屬表面的氧化物保護(hù)膜不僅使得液態(tài)金屬維持其形狀，也為其改變形狀提供了可能。Dickey’領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用這樣的特點(diǎn)發(fā)明了一種可以自制任何形狀液態(tài)金屬的方法。研究者把eGaIn先涂布在可伸展的高分子材料表面，由于二者之間有著一定的粘結(jié)力，當(dāng)拉伸高分子材料的時(shí)候，液態(tài)金屬也可被拉伸。這樣的方式不需要任何復(fù)雜的專業(yè)設(shè)備，可以生產(chǎn)出細(xì)達(dá)10微米的液態(tài)金屬線。這種技術(shù)在柔性電子設(shè)備的設(shè)計(jì)上有著很廣闊的應(yīng)用前景。

嵌套在高分子材料中，液態(tài)金屬可被拉伸

還有一些研究者利用液態(tài)金屬與高分子進(jìn)行摻雜，使得高分子材料獲得導(dǎo)電性。要實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的方法包括在高分子中摻雜炭黑、碳納米管或金屬粒子，但這些方法無一例外都會(huì)讓高分子材料變硬變脆。而使用液態(tài)金屬則可以克服上述難題。Carnegie Mellon University的Carmel Majidi是把這個(gè)特點(diǎn)玩到極致的人。在一項(xiàng)最新研究中，他們將galinstan（鎵、銦、錫的合金）與PDMS進(jìn)行共混，金屬液滴以微米級的尺寸分布在高分子之中。這時(shí)材料還無法導(dǎo)電，一旦使用一些尖銳的筆尖在其上繪出一些圖案，里面的金屬液滴就會(huì)彼此融合，因此。就可以“畫出”一個(gè)導(dǎo)電電路。

液態(tài)金屬的上述諸多性能使得它與柔性電子設(shè)備的制造相契合。Swiss Federal Institute of Technology的Stéphanie P. Lacour研究小組結(jié)合液態(tài)金屬發(fā)明了一種可穿戴設(shè)備。

與大多數(shù)人使用的液體沉積方法不同，該小組為了可以與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)相兼容，使用的是氣相沉積技術(shù)。他們首先在薄膜上噴涂一層金，隨后將鎵蒸鍍于其上，得到了一種具有連續(xù)兩相的膜材料。這樣的技術(shù)可以讓我們的穿戴品更加炫酷，可以設(shè)計(jì)出具有LED堆積層的器件，亦或是可以感受手指微小活動(dòng)的手套。

液態(tài)金屬的研究方興未艾。但是，液態(tài)金屬也有其固有缺點(diǎn)，比如其特殊的表面張力、粘度和密度造成了與現(xiàn)有的液體加工技術(shù)是不兼容的。但這些困難并不會(huì)減慢人們探究它的腳步，越來越多的研究者正在走進(jìn)這個(gè)領(lǐng)域，想一窺液態(tài)金屬迷人的風(fēng)采！

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