還記得 1991 年的科幻電影《終結者 2》裡的 T-1000 機器人嗎？它的全身由液態金屬構成，能在固、液態之間隨意轉換，具有強大的變形偽裝能力，幾乎可以偽裝成它碰過的任何人。同時，全身也能變成液態流淌，與地面融合在一起，之後再緩緩浮出地板，成為固體。
T-1000 液態金屬機器人
詹姆斯卡梅隆導演的這部電影領先當時電影一個時代，影片中殺傷力極強、無法毀滅的液態金屬機器人在當時看來是天馬行空。然而，如今可能會得到實現。
近日，來自中科院理化所和清華大學醫學院生物醫學工程系的劉靜教授團隊，首次提出輕質液態金屬物質這個概念，並研發出系列密度甚至低於水的液態金屬複合材料，該項工作發表在期刊《先進功能材料》上。
全新液態金屬材料
液態金屬，是指常溫下呈液態狀態、可流動且能導電的金屬，因其高導電性和柔韌性，在開發可穿戴設備和軟機器人方面十分重要。
在電子領域，液態金屬可以作為墨水用於 3D 列印直接生成電子電路；在醫學領域，因其與人類有良好的相容性，可以將神經電信號連通，用以修復斷裂神經。然而，由於液態金屬材料自身的高密度，因此也給製成的器件平添額外重量，造成相應能量消耗，也削弱了使用的靈巧性。
液態金屬可以製造水下設備，改造機器人或製造輕巧的外骨骼（來源：MandriaPix）
而劉靜團隊研發的複合材料（簡稱 GB-eGaln ）, 是由空心玻璃微珠與液態金屬構成，其密度已從鎵銦合金最初的幅值 6.2 g/cm3 降低至 0.5g/cm3 以下，使其擁有身輕如燕以至於可漂浮於水面的能力。
由空心玻璃微珠及液態金屬製成的輕量化複合材料 GB-eGaln
根據他們的研究，GB-eGaln 具有高粘附力，因此可以成型為薄片。因其良好的延展性，這種材料可輕鬆塑形為各種平面片狀結構器件，也可以很容易的摺疊或捲起，獨立的兩片可以通過按壓形成一個整體。利用該性質，人們可以通過類似摺紙的方式將其從二維平面結構轉而構築成三維立體結構。
得益於液體金屬優良的室溫固液相變性質，GB-eGaln 也可通過溫度調控，十分輕鬆地在完全柔軟的狀態和堅硬的金屬物體之間自由切換，這樣，即便是薄片也能實現良好的承重性能。
由於水和液態金屬對玻璃表面親和性不同，當接觸到水後，GB-eGaln 內部原有的玻璃微珠 - 液態金屬連接會被玻璃微珠 - 水連接所替代，從而使其內部結構發生改變，進而引起密度及電學性質的改變。研究人員利用這一特性，為 GB-eGaln 薄片設計了差異性封裝結構，因此可通過在未封裝部位加入少量的水對其漂浮行為加以調控，可實現漂浮和下沉行為。沉沒後的 GB-eGaln ，也可通過烘乾處理，重新恢復其原有的漂浮與電學性質，因此實現重複利用。
在研究中，他們還證明了結合磁體的 GB-eGaln 組件可以在外部磁場和包裝材料的調節下控制運動，懸浮和下沉，這為開發高級智能水下設備提供了潛在的用途。
一類材料，一個時代
在去年，中科院理化所劉靜、饒偉研究員團隊還在材料領域的頂刊《材料科學與工程》發表了關於可變形的液態金屬納米材料的綜述文章。
一直以來，在生物醫學、印刷電子、界面材料和柔性傳感器等領域中，降低液態金屬液滴的表面張力、增加比表面積及縮小物理尺寸對於液態金屬至關重要。而微納米液態金屬可顯著改變和提升宏觀液體金屬的特定物理化學性能，展現出宏觀液體金屬力所不及的性能。
在增材製造領域，利用直寫和微注射等製造方式展示了批量生態液態金屬圖案的潛在實際應用。但受限於較大的表面張力和易於形成的表面氧化物，宏觀液態金屬與常用的噴墨式列印工藝難以兼容，因此製造導線寬度僅為幾微米甚至更高解析度柔性電路仍是 「卡脖子」 的難題。然而，引入微納液態金屬液協助精確電路的製造，使高解析度印刷電子 「觸手可及」。
同時得益於尺寸效應，液態金屬微納米顆粒同樣在電磁光熱等方面也表現出了一些異於宏觀液態金屬的獨特性質，這使其在生物醫學、柔性電子、熱管理和微型馬達等領域發揮了獨特作用。
微納米液態金屬材料多領域應用上的優越性
「人類文明的發展史啟示我們：一類材料，一個時代」，劉靜說，「中國液態金屬研究從 2000 年開始至今，已申報 200 餘項發明專利，基本覆蓋液態金屬的眾多領域。液態金屬作為一類特殊功能材料，有望在電子信息、生物醫學、柔性機器人、新計算機等領域帶來顛覆性變革，並催生出一系列戰略性新興產業。」
液態金屬領域的奇蹟
十幾年前，劉靜和他的團隊還在鑽研於冷熱刀，這把刀可用於對腫瘤病灶實施深度凍結和消融，使病人減少痛苦。同時，冷熱刀也可迅速升溫到 80 攝氏度，以處理更大範圍病灶，實現高效止血。如今冷熱刀通過了衛生部門的審核，並進入臨床使用階段。劉靜感慨，「用十年磨一劍來形容冷熱刀的研製都不夠啊。」
除了冷熱刀，這 17 年間，劉靜還跨界到了液態金屬研究領域。
在 2013 年，劉靜和團隊就首次發現了在電場控制下，液態金屬與水的複合體可在各種形態及運動模式之間發生轉換的基本現象。之後又在世界上首次發現液態金屬在吞食少量鋁後，還能自主高速運動且能變形的奇異行為。這一發現轟動全世界。
之後到了 2015 年，由劉靜教授帶領的清華大學與中國科學院理化技術研究所聯合小組，研發出世界首個自主運動的可變形液態金屬機器，無需外部電力驅動，柔性極佳，為研發可變形機器人邁出了重要一步。自驅動液態金屬機器的問世及其引申出的全新的可變形機器概念，有望變革傳統的機器製造理念，提速柔性智能機器的研製進程。
在 2018 年，劉靜團隊創造出了一種基於液態金屬的新型柔性多功能材料，論文刊登在國際學術期刊《材料視野》上。這種材料具有良好的導電性和磁性，內部會產生氣體並生成多孔結構。在極端情況下，其梯級可快速膨脹至原來的 7 倍以上，膨脹後的多孔金屬甚至可攜帶重物漂浮在水面上。這對於液態金屬領域來說，又一次創造了奇蹟。
一代材料，一代裝備。中科院劉維民說，「我不敢說液態金屬開闢了一個新的時代，但它作為一種新材料，給我們開闢了一個新世界。」
截至目前，該團隊做出了 40 餘項全新基礎科學發現，並在晶片冷卻、熱量捕獲、低成本制氫、桌面電子印表機、3D 列印、神經連接、腫瘤治療、柔性可變性機器等方面取得了一系列底層技術突破。
劉靜：跨界研究液態金屬
劉靜是中科院理化技術所雙聘研究員兼清華大學醫學院生物醫學系工程系教授，先後入選中科院及清華大學 「百人計劃」，長期從事液態金屬、生物醫學工程與工程熱物理等領域的研究工作。
他本科就讀於清華大學，學的是燃氣輪機，還選修了第二專業應用物理。直博時，他選擇了與工程熱物理及生物醫學有關的研究方向 —— 生物傳熱學，1996 年獲得工學博士學位後留校任教，開始了他的科研生涯，而他與液態金屬的 「相遇」 純屬偶然。
2001 年，劉靜正努力尋找一種能讓計算機晶片快速散熱的材料。在多次嘗試後，劉靜意識到液態金屬具有超高的導熱性，作為冷卻液可將集成電路中的熱量快速導出。就此，他開始了在液態金屬領域的研究。
十幾年的蟄伏，劉靜鑽研於液態金屬領域，發表了 100 多篇論文，幾乎每年都有成果產出，他對科研的痴迷，也讓他收穫了碩果。2014 年，劉靜榮獲威廉・伯格獎，這是中國科學家首次獲得國際傳熱界最高獎項。威廉・伯格獎每 4 年頒發一次，每次僅有 1 名獲獎者。
劉靜學術大數據（來源：清華大學AMiner）
參考：
[1] Bo Yuan et al.Lightweight Liquid Metal Entity,Advanced Functional Materials (2020)._http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201910709
[2] Mingkuan Zhang et al. Transformable soft liquid metal micro/nanomaterials,Materials Science and Engineering:R:Reports (2019)https://doi.org/10.1016/j.mser.2019.03.001
[3]https://phys.org/news/2020-02-scientists-lightweight-liquid-metal-materials.html
[4]http://www.ecorr.org/dhTJDAOHANG/fhjs/jishuchengguo/2020-02-21/176237.html
[5]http://www.polymer.cn/sci/kjxw15354.html
[6]http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/9659/2018/20180122155117924160929/20180122155117924160929.html
[7]https://www.sohu.com/a/221472587806277