Materials Horizons 封面文章報道清華大學多孔液態金屬柔性材料新成果

【引言】

眾所周知，傳統的多孔金屬材料如泡沫鋁大多為剛體結構，因其擁有低密度、高強度及良好的隔熱、吸聲等特性，在建築、化工及航空等領域有著廣泛用途，但固體多孔金屬材料不具備變形性，其內部孔隙結構一旦形成就不能再改變，這無疑阻礙了它在柔性技術領域的應用。

【成果簡介】

近日，清華大學劉靜教授研究組聯合中國科學院理化技術研究所，在國際期刊Materials Horizons上以封面論文形式發表了題為「PLUS-Material: a Porous Liquid-metal enabled Ubiquitous Soft Material」的學術論文。此項工作基於鎵銦合金流體中微/納尺度顆粒經化學反應產生氣體生成多孔結構的機理，發明並研製出一種全新的多功能多孔液態金屬柔性材料，這種類似於動物組織肺泡結構的多孔金屬軟材料，具有良好的導電性和磁性，可以對外界的熱刺激做出響應，極限情況下可快速膨脹至原體積的7倍以上，膨脹後的多孔金屬甚至可如潛艇一般攜帶重物漂浮於水面。此類新材料系首次在自然界被創造出來，對於研發新概念型柔性智能器件與裝備有重要意義。清華大學醫學院2015級博士生汪鴻章及2016級博士生袁博為文章共同第一作者，清華大學醫學院教授、中科院理化所研究員劉靜及中科院理化所助理研究員王磊為本文共同通訊作者。

圖1. 期刊封面故事

研究小組在大量的試驗過程中發現，加有鐵納米顆粒的液態金屬，在液態環境中會自發產生氣體且在內部形成穩定均勻的膏狀甚至固態多孔結構（圖2），該材料的多孔化及輕量化過程可通過溶液酸鹼度與溫度加以調控，由此可根據需要製造出各種孔徑大小的柔性多孔金屬材料。PLUS材料在體積膨脹後可再度迅速恢復成液體狀態，通過加熱能夠多次重複膨脹。這些特性為製造新型水下可變形機器、柔性機械臂、外骨骼以及發展柔性智能機器人技術提供了新的思路。

圖2. PLUS材料製備過程及其在水中膨脹漂浮的情形與內部結構

實驗表明，PLUS材料具有較好的靈敏，受熱時可在幾分鐘內即迅速膨脹至原體積的數倍。圖3展示了該材料輕量化的實驗，它能輕易地將水中的重物攜帶至溶液表面。此外，PLUS材料自身膨脹為膏狀物後，若經過氫氧化鈉溶液處理並加以烘乾後，可得到異常堅硬的多孔金屬材料。值得注意的是，用鹽酸對固體材料進行處理，可使其重新恢復至液體狀態。這種液固轉換過程可重複100次以上，說明PLUS-M是一種性能優異的可重複使用的柔性多孔金屬材料。

圖3. PLUS材料隨溫度響應出現快速膨脹繼而攜帶重物上浮的情形及原理

試驗與理論分析表明，PLUS材料的成因與原電池反應及氧化物的生成有關。鎵銦合金與鐵顆粒構成了某種原電池，在電解質溶液中會發生反應生成氫氣。加熱則加快了氧化過程，生成的氧化鎵增加了材料的黏度，可包裹內部不斷產生的氣體形成多孔結構。由於主要反應物鎵是兩性金屬，該反應在酸、鹼溶液中均可發生，大大擴展了新材料的應用範圍。PLUS材料具有良好的適形化和優良的導電性能，基於此材料的「自生長」 特性，研究小組還展示了一組可以定時點亮的LED燈的液態開關工作電路。其中，斷開的電路中間是一段不規則的管道，在管道一端設置有PLUS材料，該材料在受熱時會順著管道快速膨脹繼而順序觸發電路實現逐級連通（圖4）。此類材料特性有望用於4D列印電路領域。

圖4. PLUS材料膨脹過程中順序聯通LED電路的情形

評審人對本項成果給予了高度評價，指出：「這是里程碑式的工作，將帶來極為重要的技術與研究進步」。該研究得到國家自然科學基金委重點項目「液態金屬軟體柔性感知機器人技術研究」、中國科學院院長基金及前沿項目的資助。

【文獻信息】

文獻鏈接：PLUS-Material: a Porous Liquid-metal enabled Ubiquitous Soft Material（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/C7MH00989E , 2018,5, 222-229）

搜狐視頻兩分半報道：液態金屬多孔新材料 PLUS-Material

本文由清華大學劉靜老師課題組提供，特此感謝！

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