清华大学刘静教授/危岩教授合作Matter：室温液态金属相变科学与技术

物质在固态和液态之间的转变是自然界最基本的物理现象并具有悠久的应用历史，“滴水成冰”、“蜡烛垂泪”等古语更是生动地描述了生活中常见的凝固和熔化过程。金属具有诸多优异的特性，已经成为现代工业中应用最多的一类材料。但大部分金属具有较高的熔点，这给研究和利用其可逆相变过程带来了挑战。而一类低熔点液态金属或合金具有液体和金属的双重属性，受到研究者们的极大关注，已经在液体机器人、芯片散热、柔性电子、肿瘤治疗等领域呈现出巨大的应用价值！以镓为基础的液态金属具有室温附近的熔点，可在温和条件下发生固液相变，并伴随着金属性能的显著变化，这为研究利用金属固液双相特性提供了一个独特的平台。金属固液相变的一个应用愿景早已在科幻电影中构筑。诸如液态金属机器人可在固态时维持坚不可摧的结构，而转化为液态时即可变形穿越建筑物的缝隙（图1）。与此同时，关于金属室温相变这一主题的科学研究和产业应用与日俱增。

图1. 液态金属可变形机器人

清华大学刘静教授团队联合危岩教授在Matter发表了题为“Phase transition science and engineering of gallium-based liquid metal”的论文，首次系统阐述了室温液态金属相变科学与应用技术。清华大学水木学者汪鸿章博士和陈森博士为本文共同第一作者。

金属镓的熔点在室温附近，可与铟、锡等金属形成具有更低熔点的共晶合金，是安全无毒的液态金属主要成分。在室温附近即可触发液态金属的固液相变过程，且伴随着特性的剧变，如机械强度、热焓、形态体积、界面粘附力、电催化活性、电导率等，催生了系列新兴应用（图2）。

图2. 室温液态金属固液相变引起的可调特性和新兴应用

本世纪初，作者团队开启了室温液态金属研究的先河，经过多年的探索实践，2012年，团队利用液态金属超高的体积相变潜热（480KJ/L），即熔化吸热使得温度可维持在熔点附近，成功实现了电子器件的高性能制冷，在应对热冲击方面展现出巨大优势和不可替代性。随着全球实验室在此方向上的不断接力研发，更多的液态金属相变基础特性被报道和应用。图3展示了液态金属固液相变科学与技术发展历程和代表性工作

图3. 液态金属相变科学与技术发展历程和代表性工作

凝固后的液态金属具有超高的机械强度（约10GPa），而加热即可重新恢复液态。基于这一小温差驱动强度的剧变特性，研究者们开发了系列新兴应用，包括金属骨水泥、可变刚度电子、形状记忆器件、智能外骨骼绷带等。液态金属凝固后体积具有反常膨胀特性，进而引起相变前后形态的变化。结合微纳结构技术，研究者们成功开发了柔性导体绝缘体转变材料、肿瘤爆破治疗体系、可控释药胶囊等（图4）。研究者还揭示了液态金属固液相变过程会引起界面粘附力的巨大变化，可用于柔性电子快速转印技术、研制适应任意形状的全液态抓手。另外镓基合金催化剂固液相变过程中的原子结构改变可有效调节催化性能，可实现两种催化状态之间的切换。本文还从动力学和热力学角度分析了液态金属固液相变的发生条件，介绍了过冷现象的机理和解决方法、重点阐述了表面相分离的现象和应用。

图4. 液态金属相变前后形态体积改变催生的新兴应用

本文致力于提出室温液态金属相变科学与工程这一主题，梳理了基础理论知识和系统回顾了最新研究应用进展，并提出未来的研究机遇和面临的主要挑战。目前液态金属相变科学与技术研究仍然处于方兴未艾的早期，蕴藏着诸多的研究机会，随着系列相关研究的不断深入，相信这一主题未来会在能源存储、热管理、外骨骼机器人、医疗绷带、刚度可调电极、肿瘤爆破治疗、柔性开关、液态抓手、低温焊接、柔性电子转印、可控催化等领域大放异彩。

本文得到了国家自然科学基金、博士后科学基金、湖北省自然科学基金等项目的资助。

原文信息：

Wang H, Chen S, Zhu X, Yuan B, Sun X, Zhang J, Yang X, Wei Y, Liu J. Phase transition science and engineering of gallium-based liquid metal[J]. Matter, 2022, 5(7): 2054-2085.

原文下载：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.05.031

来源：高分子科学前沿

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