與聚合物、塑料、木材等非金屬材料相比，室溫液態金屬的高密度(通常大於5 g cm-3)是其廣泛應用的主要障礙。這將給構建的組件帶來額外的重量，導致強烈的不適、更大的能源消耗和更糟糕的用戶體驗，特別是在需要大量金屬的情況下，如可穿戴外骨骼、軟機器人或可攜式電子設備。近日，來自清華大學Jing Liu教授報導了一種輕如水的液態金屬實體概念材料，在溫度調節下仍然保持著優異的一致性、導電性和剛度變化，有望用於製造各種先進的軟機器人和水下設備。相關論文以題為」Lightweight Liquid Metal Entity」於2月17日發表在AdvancedFunctional Materials上。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910709
室溫液態金屬是一種低熔點金屬，具有良好的導電性、導熱性和流動性，是將傳統電子產品從剛性材料中解放出來的有效選擇。與汞相比，低蒸氣壓的鎵基合金具有很大的生物安全性優勢。並且得益於其熔點，該合金還可以在室溫範圍內方便地實現固液相變。在許多領域都有應用，如柔性電子、增材製造、可穿戴設備、生物醫學實踐、外骨骼系統、和軟機器人等，液態金屬是非常理想的材料。
此外，由於高表面張力(約等於624 mN m-1)和液態的特性，在設計的結構中也很難形成共晶鎵銦合金(eGaIn)，這被認為是eGaIn廣泛應用的局限性。正如上述所言，液態金屬的高密度以及表面張力大等因素，限制了液態金屬的廣泛應用。目前為了降低液態金屬的密度，通常採用在複合材料中降低液態金屬組分質量的方法-降低金屬的使用量，如將金屬分散成小液滴或極薄的金屬層。然而，這些方法可能會導致功能的喪失，特別是在導電性和一致性方面。
到目前為止，還沒有一種通用的方法來製造理想的液態金屬基材料，使其根據各種需要具有更輕的密度。幸運的是，最近的研究發現，氧化物的存在對eGaIn與其他材料的結合有很大的幫助，特別是矽、金屬顆粒和聚合物。本文從廣義的角度出發，提出了一種輕如水的液態金屬輕實體概念材料。
在此，研究者提出並論證了低密度、高延性、良好的成形能力和剛度可變性的液態金屬複合材料。為了典型的演示目的，以玻化微珠(GB)為重點，以eGaIn合金為基體金屬，製備了輕量液態金屬複合材料(GB-eGaIn)，該複合材料具有較低的密度和浮力，良好的導電性以及可通過溫度調節在軟狀態和完全剛性狀態之間的相變能力。一種由共晶鎵銦合金(eGaIn)和玻璃泡組成的超輕材料，其密度可以降低到2.010甚至0.448 g cm-3以下，甚至比水還要輕，但在溫度調節下仍然保持著優異的一致性、導電性和剛度變化。該材料可進一步通過摺疊或力的調節來構建各種複雜的結構，以適用於各種應用場景，可重複使用8次，功能損失不明顯。
圖 1 玻化微珠(GB)和GB-eGaIn
圖2 GB-eGaIn複合物的相關表徵和測試
圖 3 GB-eGaIn在平面結構中相關的力學和電學表徵
圖 4 在GB-eGaIn中添加水後的形貌
圖 5 平面GB-eGaIn的漂浮表現
圖 6 3DGB-eGaIn複合物
該文提出了輕質液態金屬複合材料的概念。通過在液態金屬中引入玻化微珠，研究者研製出了一種具有高舒適性、延展性和導電性的輕質材料。該研究工作打開了輕質液體金屬在各種設備和軟機器人領域內使用的未來之門。
來源：材料科學與工程公眾號，作者：水生。