只要學(xué)過初中化學(xué)的人都知道金屬并不只有固體這一種形態(tài)，像“汞”，也就是水銀，在常溫下就會(huì)呈液態(tài)。不過除了汞以外，其實(shí)還有許多在常溫下可流動(dòng)的金屬材料存在，他們統(tǒng)稱為液態(tài)金屬，又稱低熔點(diǎn)金屬，是一大類物理化學(xué)行為十分獨(dú)特的新興功能物質(zhì)，由于具有諸多新奇特性，因此液態(tài)金屬為新興科學(xué)與技術(shù)前沿提供了重要啟示和豐富的研究空間。

常溫下會(huì)流動(dòng)的金屬

一、液態(tài)金屬的優(yōu)勢(shì)

常溫液態(tài)金屬雖然遠(yuǎn)不如固態(tài)金屬被為人所知，但得益于其優(yōu)勢(shì)——常溫下可流動(dòng)、導(dǎo)電性強(qiáng)、熱學(xué)特性優(yōu)異、易于實(shí)現(xiàn)固液轉(zhuǎn)換，因沸點(diǎn)高（溫度高達(dá)2300℃時(shí)仍處于液相）而不會(huì)像水那樣沸騰乃至爆炸等，近年來其實(shí)取得了不少顛覆性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破。

通常可供直接使用的常溫液態(tài)金屬種類比較有限。自然界中常溫下呈液態(tài)的純金屬主要有汞、鎵、銫，熔點(diǎn)分別為?38.87℃、29.8℃、28.65℃。鑒于液態(tài)純金屬種類稀少，一般在實(shí)際中使用的是液態(tài)合金材料，需具備以下特點(diǎn)：①物理化學(xué)性能優(yōu)良，如高熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、低粘度等；②環(huán)境友好、無毒無害、非易燃易爆、易于回收利用，具有較低的蒸汽壓和揮發(fā)性；③成本宜盡可能低。典型類型有鎵基合金、鉍基合金等。

二、液態(tài)金屬的制備

目前關(guān)于液態(tài)金屬的使用與研究主要集中在室溫液態(tài)金屬，主要采用的是熔煉制備工藝，大體制備過程如下：以高純度的金屬作為原材料，按照重量的百分比選取適量材料到容器中混合，用來混合的容器是要預(yù)先用去離子水清洗過的，原材料混合后，加熱到一定溫度直至金屬熔化，再進(jìn)行輕微攪拌，冷卻至室溫后即可得到新的合金材料。

根據(jù)金屬材料成分和配比的不同，最終形成的液態(tài)金屬材料將具備不同的功能與特性，比如與共晶Ga-In-Sn液態(tài)金屬相比，共晶Ga-Sn-Zn液態(tài)金屬的熔化溫度和表面張力更高，而熱膨脹系數(shù)、密度、黏度、導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)更低。

三、液態(tài)金屬的應(yīng)用

液態(tài)金屬是一種不定型的、可流動(dòng)的的金屬，正是因?yàn)檫@種不定型的液體形態(tài)，使其具有極佳的電性能和熱力學(xué)性能，目前廣泛應(yīng)用于電池、電力設(shè)備、生物醫(yī)療、3D打印和計(jì)算領(lǐng)域。

①熱管理材料

隨著微納電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，高集成度芯片、器件與系統(tǒng)引發(fā)的熱障問題成為制約各種高端應(yīng)用的普遍性難題。21世紀(jì)初，在芯片冷卻領(lǐng)域引入了低熔點(diǎn)合金流體散熱技術(shù)，經(jīng)過近20年的發(fā)展后，常溫液態(tài)金屬冷卻領(lǐng)域目前已建立了相對(duì)完備的理論與應(yīng)用技術(shù)體系。

除了在高功率密度電子芯片、光電器件、國(guó)防裝備極端散熱等方面有著重要應(yīng)用價(jià)值外，液態(tài)金屬冷卻正在逐步拓展到消費(fèi)電子、低品位熱能利用、光伏發(fā)電、能量?jī)?chǔ)存、智能電網(wǎng)、高性能電池、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、熱電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、LED路燈、筆記本電腦、游戲機(jī)、高性能服務(wù)器等。

PlayStation 5 使用液態(tài)金屬進(jìn)行冷卻，而不是導(dǎo)熱膏或蒸汽室解決方案

擴(kuò)展閱讀：

《改變散熱行業(yè)的液態(tài)金屬導(dǎo)熱劑！》

②液態(tài)金屬電池

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為具有很好的發(fā)展前景，但要投入實(shí)際應(yīng)用的話，電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)必須要低價(jià)格、長(zhǎng)壽命、高效率和易規(guī)模化。針對(duì)這些問題，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究小組提出了液態(tài)金屬電池這一全新的大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)能夠較好地滿足上述要求，由此引起了美國(guó)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及政府部門的廣泛關(guān)注和報(bào)道。

液態(tài)金屬電池的結(jié)構(gòu)及原理圖

液態(tài)金屬電池具有許多優(yōu)良特性：①液態(tài)金屬電極、熔融鹽電解質(zhì)及穩(wěn)定的液液界面給予了液態(tài)金屬電池優(yōu)越的動(dòng)力學(xué)傳輸特性，其界面電荷轉(zhuǎn)移阻力小，使得電池可以在高的電流密度下以相對(duì)較高的電壓效率運(yùn)行；②液態(tài)金屬電池采用3層液態(tài)自動(dòng)分層的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了電池的組裝，易實(shí)現(xiàn)電池的生產(chǎn)；③液態(tài)金屬電極在循環(huán)過程中其界面始終處于動(dòng)態(tài)更新的狀態(tài)，避免了傳統(tǒng)固態(tài)電極在長(zhǎng)時(shí)間或者復(fù)雜工況下的電極結(jié)構(gòu)變化及枝晶生長(zhǎng)等問題，從而使得液態(tài)金屬電池具有超長(zhǎng)理論循環(huán)壽命。

③電磁屏蔽材料

導(dǎo)電紡織品(CTs)是有前途的電磁干擾屏蔽材料。然而，由于剛性導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有限的可拉伸性和差的可靠性限制了它們?cè)诳衫祀娮釉O(shè)備中的潛在應(yīng)用。Li-Chuan Jia等通過設(shè)計(jì)可變形的液態(tài)金屬（LM）涂層和聚二甲基硅氧烷（PDMS）保護(hù)層，開發(fā)出了一種具有高度可拉伸性和可靠性的CT，以實(shí)現(xiàn)有效的EMI屏蔽。所得的PDMS-LM /紡織物在僅0.35毫米的厚度下具有72.6 dB的出色EMI屏蔽效率，同時(shí)在30％和50％的應(yīng)變下分別保持66.0 dB和52.4 dB的EMI屏蔽效率。

優(yōu)異且持久的EMI屏蔽效率應(yīng)該歸因于導(dǎo)電LM網(wǎng)絡(luò)的完美連接性和良好的可變形性。此外，由于PDMS層的保護(hù)作用，LM涂層對(duì)紡織品基材具有牢固的牢度，在經(jīng)過10分鐘的超聲處理和100次剝離后，EMI屏蔽效率 不會(huì)明顯降低。這項(xiàng)工作為開發(fā)用于高級(jí)EMI屏蔽應(yīng)用的高伸縮性CT提供了一條新穎的途徑，特別是在高伸縮性電子設(shè)備領(lǐng)域。

④3D打印

近年來，液態(tài)金屬在冷卻散熱、電子印刷和柔性電路乃至生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等方面均顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。以低熔點(diǎn)液態(tài)金屬為成型材料的3D打印技術(shù)及相關(guān)設(shè)備可突破現(xiàn)有金屬3D打印材料的形狀和高溫限制，實(shí)現(xiàn)室溫條件下金屬與非金屬功能材料的復(fù)合打印，推動(dòng)相應(yīng)技術(shù)和設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。

目前通過印刷方式已能在各種柔性、剛性基材甚至人體皮膚上直接制造出目標(biāo)電路、元器件、集成電路和終端功能器件，對(duì)3D打印技術(shù)在智能生產(chǎn)和靈活制造領(lǐng)域中的應(yīng)用起到了很好的推動(dòng)作用。

⑤生物醫(yī)學(xué)與健康技術(shù)

液態(tài)金屬還能用于解決一系列重大生物醫(yī)學(xué)難題與瓶頸。其中，液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)調(diào)控技術(shù)因其獨(dú)創(chuàng)性而被視為“令人震驚的醫(yī)學(xué)突破”，由此衍生出了系列化的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)；Wang 等創(chuàng)建的液態(tài)金屬高分辨血管造影術(shù)，采用相對(duì)簡(jiǎn)單的方法解決了極為復(fù)雜的問題，且揭示細(xì)節(jié)足夠豐富。

液態(tài)金屬高分辨血管造影術(shù)

此外，液態(tài)金屬栓塞血管治療腫瘤技術(shù)、堿金屬流體熱化學(xué)消融治療腫瘤法、注射式低熔點(diǎn)金屬骨水泥、剛?cè)嵯酀?jì)型液態(tài)金屬外骨骼、印刷式液態(tài)金屬柔性防輻射技術(shù)、植入式醫(yī)療電子在體 3D 打印與注射電子，液態(tài)金屬皮膚光熱轉(zhuǎn)換與電磁學(xué)、液態(tài)金屬醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)等，也因嶄新學(xué)術(shù)理念和技術(shù)突破性而引起多方重視。

⑥柔性智能機(jī)器

科學(xué)家希望可以設(shè)計(jì)一種能以可控方式在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的柔性機(jī)器，用于代替人類執(zhí)行更為特殊、更為復(fù)雜的任務(wù)，例如抗震救災(zāi)或特殊行動(dòng)中，此類機(jī)器人可根據(jù)需要適時(shí)變形、穿過狹小空間、重新恢復(fù)原形以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)目前已在材料、器件、系統(tǒng)等方面逐步形成相應(yīng)理論與技術(shù)體系。其中的標(biāo)志性進(jìn)展之一是首次揭示了電場(chǎng)調(diào)控下液態(tài)金屬呈現(xiàn)出的一系列大尺度變形、旋轉(zhuǎn)、定向運(yùn)動(dòng)以及合并、斷裂–再合并行為，這成為后續(xù)研究液態(tài)金屬可變形機(jī)器人的開端。

外場(chǎng)調(diào)控的可變形液態(tài)金屬和可自主運(yùn)動(dòng)型液態(tài)金屬柔性機(jī)器

進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了一種異常獨(dú)特的現(xiàn)象和機(jī)制，即液態(tài)金屬可通過吞噬微量鋁形成自驅(qū)動(dòng)全柔性機(jī)器，速度達(dá)厘米每秒級(jí)、運(yùn)行時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了無需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)。這種自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬組成的微馬達(dá)群可在電場(chǎng)中形成高速的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。以上發(fā)現(xiàn)為研制實(shí)用化的智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了重要理論基礎(chǔ)。

資料來源：

液態(tài)金屬科技與工業(yè)的崛起：進(jìn)展與機(jī)遇，劉靜。

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