中国科学院前瞻性评述文章登上Cell头条

编译丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

近日，来自中国科学院理化技术研究所/中国科学院大学未来技术学院一篇文章登上了Cell Press官网头条。

该文章以：Liquid metals for the booming of space exploration 为题，于近日发表在了 Cell 新子刊Cell Press Blue上，中国科学院理化技术研究所刘静研究员、张旭东研究员为共同通讯作者，史佳豪为第一作者。

该文章系统构画了液态金属太空科技全景，深度解析了液态金属从本征属性到新兴功能面临的机遇与挑战，涵盖能源系统、深空推进、太空热管理、柔性电子、电磁屏蔽、可重构机器人、在轨制造、生命保障及空间光学等方向。该文章还阐释了利用太空微重力环境作为天然实验室，揭秘液态金属界面物理化学超常现象的独特价值——相应研究不仅将推动流体力学、界面科学等基础学科的发展，更有望为微重力下多场耦合理论的构建提供关键支撑。文章指出，液态金属不仅是适配太空极端环境的通用功能材料，更是赋能未来宇航探索事业繁荣发展的重要载体。

液态金属（Liquid Metal，LM）正成为解决太空探索中诸多极端技术瓶颈的关键所在。太空独特的微重力和真空环境也带来了巨大挑战，同时也是一个前所未有的实验室，用于探索未知科学。

该文章概述了液态金属在太空探索中的基本原理和实际问题，并展望了其未来机遇，重点关注其在能源系统、深空推进、太空热管理、柔性电子、可重构机器人、增材制造、生命支持系统和空间光学等方面的作用。除了实际工程应用，该文章还进一步阐述了利用太空环境作为独特且不可或缺的平台来探究不受重力限制的液态金属界面物理和化学的潜力。对揭示与微重力相关的自组织现象以及丰富基础突破的前景进行了阐释。总体而言，这些见解确立了液态金属不仅是通用材料，也是未来太空科学与技术蓬勃发展的变革性推动因素。

在永无止境的好奇心和开发外星资源的强烈愿望的驱使下，人类正从一个地球文明向太空文明转变。自“斯普特尼克 1 号”（前苏联于 1957 年 10 月 4 日发射的人类历史上第一颗人造地球卫星，标志着人类航天时代的正式开启）发射以来，人类的足迹稳步向近地空间、空间站和月球延伸，活动也愈发频繁。在过去的七十年多里，近地空间技术逐渐成熟，呈现出商业化、多任务能力和成本降低的特点，比如太空互联网、太空旅游、太空数据中心和轨道太阳能电站等实践。相比之下，深空探测技术仍处于发展阶段，主要由国家主导，重点在于载人登月任务、太阳系行星探索和空间望远镜。目前，商业航天企业和深空探测是航天技术的主要推动力。

这些进步的核心在于材料科学，它在历史上一直决定着航天任务的可行性。例如，减轻重量的碳纤维复合材料有助于降低发射成本，而石蜡相变材料（PCM）则提高了热调节能力。相反，航天技术的进步也推动了材料科学的发展，比如研究微重力下的金属凝固以及气液两相流的热传递特性。在商业航天活动和深空探索的需求驱动下，新的挑战不断涌现，包括动力推进、辐射防护、电子通信、医疗保障和远程维护。因此，迫切需要开发和部署更多样化的航天材料，以满足日益极端的温度、更远的距离和更长时间任务的迫切需求。

在众多选择中，室温液态金属（RTLM）是一大类熔点接近室温的金属以及合金，主要包括汞、钠、钠钾合金、镓以及镓基和铋基合金。这类材料具有出色的性能，如高热/电导率、优异的流动性，尤其是高界面张力，这赋予了它们在众多领域中应用的巨大潜力。在室温液态金属中，汞最为人所知，但其高毒性和易挥发性对人类健康和环境构成重大威胁，大规模应用极具挑战性，而钠和钠钾合金则具有很强的反应性，会与水、氧和二氧化碳发生剧烈的化学反应，其固有的化学不稳定性严重限制了应用范围。近年来，镓基和铋基液态金属作为有前景的替代品崭露头角，引起了科学界的广泛关注，这主要得益于它们出色的化学稳定性和生物相容性。因此，这类液态金属引发了爆发性的研究兴趣，推动了非传统的基础研究和实际应用探索。凭借其独特的特性和性能，液态金属已被广泛应用于众多不同领域，例如能源推进、热管理、柔性电子、电磁屏蔽、生物医疗保健、传感与驱动以及增材制造。此外，与化学、流体动力学和光学的跨学科融合揭示了液态金属的众多界面现象。这些现象不仅加深了对液态金属物理和化学行为的基本理解，还为设计更强大的功能材料和器件开辟了新途径。

太阳系的物理环境从中心恒星到近地天体呈现出不同的特征，环境条件极端炎热或寒冷，温度范围相当宽广，气压低，温度低。在太阳表面，温度高达 5778 开尔文，重力加速度为 274 米/秒²，接近绝对真空。像镓基和铋基合金这样的液态金属，其沸点在 900-2700 开尔文之间，能够承受极端高温。它们在室温下的饱和蒸气压很低，有效防止了真空蒸发，为太空核动力系统奠定了基础。水星的极端条件，昼夜温差达 368 开尔文，气压极低，处于无氧真空状态，消除了液态金属氧化降解的担忧。无需额外的抗氧化涂层。结合其宽泛的温度流动性，它们支持航天器在昼夜周期中热管理的稳定运行。金星表面温度为 737 开尔文，气压为 9.2×10⁵ 帕，带来了严峻的挑战。液态金属通过其流体特性适应高压变形，使其成为着陆器密封部件和热传导介质的理想选择。月球环境具有高真空度、昼夜温差在 100-390 开尔文之间以及无氧的大气环境。火星的温度范围在 134-293 开尔文之间，大气压力低且无氧。液态金属消除了抗氧化结构的需求。与传统流体相比，其较大的表面张力可防止泄漏，低熔点确保低温流动性，无氧环境避免氧化杂质堵塞电路。此类材料可用于火星探测器土壤分析仪的对流冷却，并与相变材料结合，为月球基地提供高效的热能储存。

除了应用技术之外，液态金属在前沿天体物理学探索中也愈发重要。它们独特的高密度、强导电性和可调流体动力学特性，使其成为下一代引力波探测器和用于探测极端环境（例如黑洞相关环境）的实验平台的有希望的候选材料。其重要性还延伸至地球物理学领域：地球的液态金属外核驱动着地磁场，而对液态金属的实验室研究为磁流体动力学（MHD）原理提供了难得的实证途径，这一框架将天体物理等离子体和地球发电机过程联系起来。综合来看，这些观点表明液态金属不仅是功能材料，也是揭开可能塑造行星演化和宇宙现象的基本机制的不可或缺的工具。

尽管在地球上液态金属取得了丰富的科学发现和广泛的应用，但其在太空中的利用仍相对有限。早在 20 世纪 80 年代，液态金属就被用作空间核动力系统的传热流体；然而，迄今为止，尚未在其他航天相关领域开发出应用。作为多功能材料，液态金属有望在航天领域得到更广泛的应用，涵盖空间能源系统、推进技术、热管理解决方案、电子学、光学、机器人技术和生命支持系统等多个领域。此外，太空中的极端条件，包括微重力、真空和剧烈的温度变化，为研究液态金属的界面现象提供了绝佳的平台。这种独特的环境有望揭示更多的科学现象和规律，促进对这类材料的基本理解和应用。

这篇文章综合了有关航空航天环境中室温液态金属（RTLM）的最新状况和知识，重点阐释了从独特材料属性到新兴功能所带来的机遇，以及所面临的技术挑战。通过审视其在太空领域的潜在科技，旨在阐明液态金属如何既能抓住机遇又能克服挑战，在推动和繁荣下一代太空探索方面发挥变革性作用。

从近地环境到遥远深邃宇宙的液态金属太空探索

液态金属与不同物质的物理性质比较

液态金属能源技术在太空应用的前景

液态金属深空推进前景

液态金属助力空间热管理的前景

液态金属助力空间电子设备的发展前景

液态金属机器与太空制造的前景

液态金属生命支持技术的前景

重力和微重力条件下液态金属的界面行为

液态金属（LM）正成为解决太空探索中诸多极端技术瓶颈的关键所在。太空独特的微重力和真空环境也带来了巨大挑战，同时也是一个前所未有的实验室，用于探索未知科学。该文章概述了液态金属在太空探索中的基本原理和实际问题，并展望了其未来机遇，重点关注其在能源系统、深空推进、太空热管理、柔性电子、可重构机器、增材制造、生命支持系统和空间光学等方面的作用。除了实际工程应用，该文章还进一步阐述了利用太空环境作为独特且不可或缺的平台来探究不受重力限制的液态金属界面物理和化学的潜力。对揭示与微重力相关的自组织现象以及丰富基础突破的前景进行了阐释。总体而言，这些见解确立了液态金属不仅是通用材料，也是未来太空科学与技术蓬勃发展的变革性推动因素。

随着人类向持续的月球、火星和深空任务迈进，液态金属（LM）正准备从地面材料转变为航空航天技术。这代表着一个前沿领域，将重塑未来太空系统的设计和运行。液态金属的卓越特性直接应对了极端太空环境带来的挑战，为能源供应、推进、热控、先进制造、微型反应堆、材料合成、机器人技术、传感器和医疗保障提供了有前景的途径。太空本身也提供了一个天然实验室，以加深我们对液态金属微重力科学的理解，并完善多领域理论框架。

尽管前景广阔，但仍存在重大挑战。材料兼容性问题、微重力环境下的长期稳定性、精确控制界面行为以及在轨可扩展制造等问题，应通过结合地面实验、太空飞行演示和理论模拟的综合研究来解决。这需要材料科学、航空航天工程、基础物理和化学等跨学科的共同努力。全球科学家和工程师之间的合作将有助于降低科学发现的成本，从而推动即将到来的月球材料时代的蓬勃发展。通过抓住机遇、克服挑战，月球材料有望成为下一轮太空探索的关键材料，使远离地球的太空任务更安全、更高效、更具适应性。

https://www.cell.com/cell-press-blue/fulltext/S3051-3839(26)00009-5