人们传统认知中的金属往往是冰冷、坚硬而沉重的固体。近年来，一种新的金属材料改变了这种认知，这便是室温液态金属。这类金属（主要为镓及其合金）具有低于室温的熔点，使其可以在通常条件下呈现液态，既具有液体良好的流动性，又具有金属材料优秀的导电性、导热性，通过调控温度还可以使其在固液相间迅速切换，很快在柔性电子、3D打印、软体机器人以及生物医学等方面得到了了广泛的应用。然而，金属材料本身的高密度会给基于其制造的器件带来额外的重量，为进一步推广其应用带来了不利的影响。
图1. AFM内背封面文章图片：轻量化液态金属复合材料
为了解决上述问题，清华大学刘静（点击查看介绍）团队首次提出轻量化液态金属物质的概念，并设计了一种基于空心玻璃微球及镓铟合金的复合材料（GB-eGaIn）。这类材料的密度仅为原镓铟合金密度的30%乃至更低，甚至可以低于1 g/cm3，意味着这种材料甚至可以漂浮在水面上。除此之外，这种材料还有很好的可塑形性，可以随心所欲的被塑形成任意形状以满足应用需求。研究者根据其形态的不同，提出了基于该种材料的平面及三维结构的应用设想。
图2. GB-eGaIn材料的制备及性质
对于平面结构，研究者们通过外加机械力的方法将其制成薄片，其厚度可以低于1毫米，可以通过折叠、卷曲及再组合等操作形成三维结构，并可以通过温度调控其刚度，使其在柔软的可塑形状态与坚硬的可承重状态间切换，实现不同功能。此外，通过对GB-eGaIn薄片喷涂经过形状设计的防水涂层可以实现对其在水中行为的调控，并成功实现了对水中电路通断的控制。而对于立体结构，研究者们则选择PU膜对其进行封装。封装后的器件可以承载最多达自身重量八倍的重物。如果对其加入控制部件，可以对其运动进行定向的控制。图4展示了磁场控制下的附加了磁铁的GB-eGaIn器件运动状况。这为其在水中漂浮部件乃至水中机器人中的应用提供了可能。
图3. 平面结构的GB-eGaIn器件及刚度调控性质
图4. 平面结构的GB-eGaIn器件及其在水中的漂浮行为控制
图5. 立体结构的GB-eGaIn器件及其在水中的漂浮行为控制
这类材料开拓了一种轻质液态金属的方向和应用，为未来的液体金属提供了新的发展方向。
这一成果发表在期刊Advanced Functional Materials 上，并被选为内背封面文章。论文第一作者是清华大学医学院博士研究生袁博，通讯作者为清华大学医学院生物医学工程系教授、中科院理化技术研究所双聘研究员刘静教授。
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Lightweight Liquid Metal Entity
Bo Yuan, Chenjia Zhao, Xuyang Sun, Jing Liu
Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 1910709, DOI: 10.1002/adfm.201910709
导师介绍
刘静
https://www.x-mol.com/university/faculty/47872
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