中科院理化所刘静团队AFM：发现自驱动液态金属马达在旋转磁场下的反常逆转现象

能够将不同能量转化为机械运动以实现自主推进的微小马达，在药物递送、生物成像、传感和环境修复等领域具有重要的应用价值。其中，由刚性材料制成的马达在有限空间内运行时，其机体顺应性和运动灵活性存在很大局限。受软体动物的启发，业界逐步探索软材料（如水凝胶、低熔点合金等），旨在提升微马达在复杂环境中的灵巧操作性和应用扩展性。

以镓基合金为代表的液态金属是一大类兼具金属和流体属性的特殊功能材料。液态金属本身会对外部物理场的激励做出快速响应，同时自身的流体特性、柔性和无限可变形性使其成为制造智能马达的有力候选者。一些年前，由刘静教授带领的清华大学与中科院理化所联合研究小组，首次发现液态金属可在“吞食”少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动，这为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的可变形液态金属机器奠定了理论和技术基础。这一基础发现和技术原理在快速制备自驱动液态金属马达上具有普遍意义，既可用于制造厘米量级以上的自主运动机器，也可借助常规注射装置挤压剪切含能液态金属，瞬间生成成百上千直径在1 mm以下的微型马达，研究表明，此类马达群表现出随机的宏观布朗运动，在运动方式上存在不确定性。无疑，要充分发掘液态金属马达的应用潜力，找到能够有效控制其方向和速度的策略显得尤为重要。

近日，刘静教授团队在Advanced Functional Materials上发表了一篇题为“Reversal Tuning of Liquid Metal Motor under Rotating Magnetic Field”的文章，首次报道了自驱动液态金属马达在旋转磁场下出现的一种独特的反常逆转现象，并展示了这一效应在流体混合和快速加热应用上的初步情况。研究小组在探索以铝为燃料的镓基液态金属马达的自驱动行为时，发现在旋转磁场下通过调节马达的体积大小，可实现其运动方向的反转，研究进一步对这一异常现象背后的作用机制和规律进行了系统的试验揭示和理论解析。文章第一作者为中科院理化所博士生周颖欣，通讯作者为刘静教授及特别研究助理赵曦博士。

图文导读

镓基液态金属（Liquid metal, LM）置于碱性NaOH溶液，因离子吸附于表面会形成电双层结构。室温条件下，加入质量分数为1%的铝片。当液态合金GaIn10和铝接触，会渗透入铝晶格，这一过程在溶液中破坏了铝表面的氧化膜，继而促成后续的一系列复杂行为。铝的活化加速了与氢氧根离子OH-的反应，进一步导致OH-在电双层结构中的电迁移。待两者充分反应，使用注射器将融合后的液态金属抽吸回腔体内，之后再于培养皿中将其注射而出，即可瞬时分散成数量众多的微小尺度自驱动马达（Liquid metal motor, LMM）。开启旋转磁场后，原本随机碰撞的马达开始沿着培养皿边缘呈逆时针有序绕圈运动，与磁体旋转方向相反，如图1所示。

图1. 液态金属小马达的制备过程及在旋转磁场下的响应行为

在以往的研究中，无论自身是否添加磁性颗粒，液态金属都仅能实现跟随磁体的单向运动。为考察这种反转现象是否为液态金属马达所独有，研究小组比较了旋转磁场下其他几种金属球的响应情况，包括直径为2 mm的GaIn 10液滴、铜珠、铷铁硼磁珠，直径为12 mm的GaIn 10液滴以及液态金属马达的运动方向，如图2所示。这些金属球中，只有液态金属马达可以在不同体积下实现运动方向的切换：小体积时与磁体转动方向相反，大体积时则跟随磁体同向旋转。当液态金属马达达到临界体积阈值则处于过渡状态，根据铝和气泡在表面的实时分布，发现马达保持原地自旋，并伴随特定频率的振荡和拉伸行为。

图2. 旋转磁场驱动下不同金属球的运动模式

根据法拉第电磁感应定律，磁场会在液态金属内部诱发出感应电流。安培力在x-y平面上的方向与运动磁体一致。由于铝和GaIn 10的电负性差异，液态金属马达构成了原电池，内部电流有效增强了对磁场的响应。使用高速摄像机观察发现，在旋转磁场作用下，电化学反应聚集区位于液态金属马达的尾端，电双层上电荷分布的改变进一步导致了马达两端的不对称表面张力。图3比较了不同金属球的磁场驱动机制。对于体积小的液态金属马达，表面张力梯度和气泡反冲是主要推动力，同时气泡所致的浮力可改变绕流压力，这就显著降低了运动阻力，最终使小体积液态金属马达朝着与磁体相反的方向运动。随着体积的增大，安培力逐渐占据主导地位，大体积液态金属马达转变方向，与磁体同向运动。

图3. 旋转磁场驱动下不同金属球运动机制的对比

试验中采用目标跟踪技术，记录小体积和大体积液态金属马达随时间变化的位置和速度信息，与未引入磁场的液态金属马达无序运动轨迹作对比，结果如图4所示。计算体积增大过程中马达的速度大小及方向的变化过程，发现最初逆磁场方向上的速度逐渐减小，经历临界阈值范围的原地自旋阶段后，液态金属马达方向发生调转，开始顺着磁场方向运动，此后速度大小与体积成正相关。

图4. LMM的运动特征

最后，基于液态金属马达在旋转磁场下的可控运动，研究小组设计了一个微混合器来展示其进一步的应用（图5）。以液态金属马达为转子的微混合器不仅能够简化传统混合器的流道结构，还能使流体得到快速而均匀的混合效果。液态金属马达的体积可以根据待混液体量、容器尺寸和所需效率加以灵活调节，高热导率也赋予其快速加热腔内流体的功能。此外，由于液态金属本身的导电、流动和可重构性，引入电场还可对液态金属马达实现后续的迅速回收。

图5. 旋转磁场辅助的LMM混合器应用

此项工作显著提升了微升至毫升尺度液态金属自驱动马达的持续可控性，为未来微小型软体机器人的开发提供了一条崭新的非接触式操控方法。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402832

来源：高分子科学前沿

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