近日，中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合小組，首次報導了室溫液態金屬如鎵基合金液滴可在外加電場激勵下吞噬微/納尺度金屬顆粒的現象，文章在線發表於《尖端科學》（Advanced Science）並被選作封面故事。
在這篇題為《液態金屬吞噬效應：金屬間潤溼觸發的顆粒內化》(Tang et al., Liquid metal phagocytosis: Intermetallic wetting induced particle internalization, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201700024, 2017)的論文中，研究人員發現，金屬液滴可在溶液環境中藉助電場或化學物質的激勵作用將周圍顆粒吞入體內，如同細胞生物學界的胞吞效應，效率極高，這一發現也因此開闢了一條構築高性能納米金屬流體材料的快捷途徑。
眾所周知，胞吞效應是生物界演化出的一種細胞吞噬外界顆粒的基本行為，普遍存在於從單細胞生物到各種高等級生物體系中。比如，變形蟲可通過胞吞作用來獲取營養物質，而高等生物則依靠巨噬細胞的吞噬作用來清理細胞殘骸。在該項研究中，與外來物跨越細胞膜類似的是，顆粒進入液態金屬內部的先決條件是必須克服同時存在於固/液兩種金屬相界面上的氧化膜的阻礙。對此，研究人員提出了三類激勵機制以實現液態金屬的胞吞作用，即：電陰極極化、輔助金屬物極化及化學物質觸發（圖1）。文章分別揭示出在酸性、鹼性和中性溶液環境中實現液態金屬胞吞作用的規律。其中，通過外加電場產生陰極極化的方法具有快捷可控、易於操作等優點，因此也更具普適性。進一步研究還發現，支配液態金屬胞吞現象的機制在於固/液兩金屬相之間的潤溼作用，研究人員為此建立了旨在定量刻畫固/液兩金屬相之間接觸關係普遍規律的理論模型，較好地解釋了實驗結果，並估算出不同材料顆粒胞吞作用的能壘，進一步預測了有關顆粒材料的吞噬作用能否自發進行。文章同時還指出，金屬間的反應性潤溼是胞吞作用得以推進的另一關鍵因素。
液態金屬系列吞噬效應的發現，展示出了十分豐富的科學內涵，其同時對於規模化製備超級液態物質如極高導熱率界面材料、高導電性電子墨水以及強磁性液態金屬等尤具實際價值。一方面，該發現使得不同金屬顆粒得以高效分散加載到液態金屬相中去，由此可以按照設計需求來人為增強或改善液態金屬的某些物理化學特性；另一方面，該效應也使得液態金屬可通過結合特定微/納米顆粒來獲得全新屬性。
此外，在另一篇題為《伽伐尼腐蝕電偶誘發的液態金屬Marangoni流動》的論文中（Tan et al., Galvanic corrosion couple-induced Marangoni flow of liquid metal, Soft Matter, 13: 2309-2314, 2017），研究小組揭示了液態金屬由於與另一類金屬接觸所導致的表面流動的起因。通過測量液態金屬的電勢降落，引入電化學腐蝕理論，作者定量研究了Ga-Cu腐蝕電偶所誘發的液態金屬Marangoni流動和界面剪切力的大小；並運用流體力學數值模擬驗證了相應結論。研究還進一步發現，溫度場會顯著改變整個流場的分布。此項工作拓展了人們對液態金屬界面流動的理論認識。
在該小組稍早一些時候發表的一篇題為《製造液態金屬搏動心臟的呼吸獲能機制》的論文中（Yi et al., Breathing to harvest energy as a mechanism towards making a liquid metal beating heart, RSC Advances, 6: 94692-94698, 2016），研究小組發現，當把金屬液滴部分浸沒於鹼性溶液、部分暴露於空氣中時，處於液態金屬與空氣交界面的溶液會出現自發周期振蕩現象，這種規律性的振蕩從四周向中心再到四周，如此往復循環不已，其表現如同液態金屬通過深呼吸動作來實現心臟搏動一樣，令人驚訝的是整個過程的發生和持續無需額外的能源供給與外界激勵。該自振系統十分簡單，只需在室溫下將液態金屬置於鹼性溶液中即可實現，這與著名的汞心臟效應中須藉助兩類金屬與溶液發生化學反應來產生搏動的機制不同。造成這一現象的原因是空氣、液態金屬、溶液三相線處的表面張力存在梯度導致了Marangoni流動。該發現為液態金屬自振蕩馬達的實現提供了基礎。
以上液態金屬系列類生物學效應的基礎發現再次彰顯這類材料蘊藏著的新奇物理化學行為，對於理解人工材料與自然界生命現象之間的關聯乃至進一步發展先進技術具有啟發意義。有關研究得到中科院院長特別基金及前沿科學重點項目資助。
論文連結：1 2 3
圖1 期刊封面故事反映的液態金屬吞噬顆粒效應（左）及三類技術實現途徑（右）
圖2 伽伐尼腐蝕電偶及溫度梯度誘發的液態金屬Marangoni流
圖3 類似於生物體呼吸獲能行為的金屬液滴自發搏動現象
近日，中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合小組，首次報導了室溫液態金屬如鎵基合金液滴可在外加電場激勵下吞噬微/納尺度金屬顆粒的現象，文章在線發表於《尖端科學》（Advanced Science）並被選作封面故事。
在這篇題為《液態金屬吞噬效應：金屬間潤溼觸發的顆粒內化》(Tang et al., Liquid metal phagocytosis: Intermetallic wetting induced particle internalization, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201700024, 2017)的論文中，研究人員發現，金屬液滴可在溶液環境中藉助電場或化學物質的激勵作用將周圍顆粒吞入體內，如同細胞生物學界的胞吞效應，效率極高，這一發現也因此開闢了一條構築高性能納米金屬流體材料的快捷途徑。
眾所周知，胞吞效應是生物界演化出的一種細胞吞噬外界顆粒的基本行為，普遍存在於從單細胞生物到各種高等級生物體系中。比如，變形蟲可通過胞吞作用來獲取營養物質，而高等生物則依靠巨噬細胞的吞噬作用來清理細胞殘骸。在該項研究中，與外來物跨越細胞膜類似的是，顆粒進入液態金屬內部的先決條件是必須克服同時存在於固/液兩種金屬相界面上的氧化膜的阻礙。對此，研究人員提出了三類激勵機制以實現液態金屬的胞吞作用，即：電陰極極化、輔助金屬物極化及化學物質觸發（圖1）。文章分別揭示出在酸性、鹼性和中性溶液環境中實現液態金屬胞吞作用的規律。其中，通過外加電場產生陰極極化的方法具有快捷可控、易於操作等優點，因此也更具普適性。進一步研究還發現，支配液態金屬胞吞現象的機制在於固/液兩金屬相之間的潤溼作用，研究人員為此建立了旨在定量刻畫固/液兩金屬相之間接觸關係普遍規律的理論模型，較好地解釋了實驗結果，並估算出不同材料顆粒胞吞作用的能壘，進一步預測了有關顆粒材料的吞噬作用能否自發進行。文章同時還指出，金屬間的反應性潤溼是胞吞作用得以推進的另一關鍵因素。
液態金屬系列吞噬效應的發現，展示出了十分豐富的科學內涵，其同時對於規模化製備超級液態物質如極高導熱率界面材料、高導電性電子墨水以及強磁性液態金屬等尤具實際價值。一方面，該發現使得不同金屬顆粒得以高效分散加載到液態金屬相中去，由此可以按照設計需求來人為增強或改善液態金屬的某些物理化學特性；另一方面，該效應也使得液態金屬可通過結合特定微/納米顆粒來獲得全新屬性。
此外，在另一篇題為《伽伐尼腐蝕電偶誘發的液態金屬Marangoni流動》的論文中（Tan et al., Galvanic corrosion couple-induced Marangoni flow of liquid metal, Soft Matter, 13: 2309-2314, 2017），研究小組揭示了液態金屬由於與另一類金屬接觸所導致的表面流動的起因。通過測量液態金屬的電勢降落，引入電化學腐蝕理論，作者定量研究了Ga-Cu腐蝕電偶所誘發的液態金屬Marangoni流動和界面剪切力的大小；並運用流體力學數值模擬驗證了相應結論。研究還進一步發現，溫度場會顯著改變整個流場的分布。此項工作拓展了人們對液態金屬界面流動的理論認識。
在該小組稍早一些時候發表的一篇題為《製造液態金屬搏動心臟的呼吸獲能機制》的論文中（Yi et al., Breathing to harvest energy as a mechanism towards making a liquid metal beating heart, RSC Advances, 6: 94692-94698, 2016），研究小組發現，當把金屬液滴部分浸沒於鹼性溶液、部分暴露於空氣中時，處於液態金屬與空氣交界面的溶液會出現自發周期振蕩現象，這種規律性的振蕩從四周向中心再到四周，如此往復循環不已，其表現如同液態金屬通過深呼吸動作來實現心臟搏動一樣，令人驚訝的是整個過程的發生和持續無需額外的能源供給與外界激勵。該自振系統十分簡單，只需在室溫下將液態金屬置於鹼性溶液中即可實現，這與著名的汞心臟效應中須藉助兩類金屬與溶液發生化學反應來產生搏動的機制不同。造成這一現象的原因是空氣、液態金屬、溶液三相線處的表面張力存在梯度導致了Marangoni流動。該發現為液態金屬自振蕩馬達的實現提供了基礎。
以上液態金屬系列類生物學效應的基礎發現再次彰顯這類材料蘊藏著的新奇物理化學行為，對於理解人工材料與自然界生命現象之間的關聯乃至進一步發展先進技術具有啟發意義。有關研究得到中科院院長特別基金及前沿科學重點項目資助。
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圖1 期刊封面故事反映的液態金屬吞噬顆粒效應（左）及三類技術實現途徑（右）
圖2 伽伐尼腐蝕電偶及溫度梯度誘發的液態金屬Marangoni流
圖3 類似於生物體呼吸獲能行為的金屬液滴自發搏動現象