Matter综述：液态金属复合材料

来源：科匠学术

一、研究背景：

众所周知，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，被认为是推动现代文明的三大支柱之一。在数千年人类发展的历史长河里，先人们创造了无数多姿多彩的材料技术。金属是其中至关重要的组成要素，并在人类文明的发展中起着重要支撑重用。正因如此，人类历史的几个重要时期是以某种标志性金属的广泛使用进行划分的，如：青铜器时代、铁器时代等。进入现代信息时代以来，千姿百态的金属材料更在社会飞速发展中大显身手。在这些新型金属材料中，人们普遍关心它们的强度、硬度以及韧性，而忽视了金属的流体性质及其应用。这是因为在我们常规认知中金属的熔点都在上千摄氏度，液体的金属只在其制备与成型过程中的存在，很难在室温条件下加以利用。

图1. 生物医学、柔性电子、热管理与软体机器等广泛领域中的液态金属。

在近年来的各项突破性的研究表明，金属若能在我们设想的常温下呈现液态，将会展现出巨大的应用价值。被广泛作为体温计、血压计等核心材料的水银（Hg）就是其中典型的代表。然而，这类材料的毒性较高使得人们对其望而却步，也颇为遗憾的削减了业界对常温液态金属的兴趣。在这样的惯性思维主导下，人们在相当长的时间内未能充分发掘水银之外存在大量安全无毒的常温液态金属，譬如金属镓或其合金以及铋基合金等。因此，该方面的基础研究和实践探索在世界范围一度处于沉寂。本世纪以来，随着低熔点金属首次被引入到消费电子领域量大面广的计算机芯片冷却行业，以应对日益严峻的“热障”难题以来，液态金属物质科学的勃勃生机和活力得以被大大激发出来，催生了无数极富想象力的变革性应用（图1），为许多新兴科技与产业打开了前所未有的空间。

二、文章简介：

近日，中国科学院理化技术研究所与清华大学联合小组在物质材料领域旗舰期刊Matter 上发表了一篇题为“Liquid Metal Composites”的长篇评述文章。首次对近年来新出现的液态金属复合材料的兴起缘由、发展历程、典型应用、最新进展以及面临的挑战和机遇进行了系统总结和展望。文章第一作者为中科院博士生陈森，通讯作者为刘静教授。

三、文章内容：

经过二十年的发展，常温液态金属以其优异的导电率、导热率、生物安全性以及非凡的流动性，逐渐成为许多前沿科学和技术领域中备受重视的热点材料，促成了一系列基础发现和颠覆性应用成果的取得（图2）。然而，迄今业界所能获得的液态金属种类及其理化性质仍然十分有限，远不能满足林林总总的独特需求。正是在这样的态势下，液态金属复合材料得以应运而生，成为打破已有技术应用瓶颈的不二选择以及发展高新材料的核心生长点。这一材料创制的基本原理在于以液态金属为基础成分或扩展载体，结合各类协同物质如纳米材料、聚合物、功能物以及相应的物理化学合成工具，旨在实现所预期的性能优异的终端材料，该方向正在促成许多全新材料的发明和研制。仅就液态金属复合材料而言，近年来由理化所与清华大学联合小组首创、发现和定义并产生重要影响的一些全新概念及技术，如不完全列举就有：“多孔液态金属-Porous Liquid Metal”、“液态导电-绝缘转换材料-Liquid Conductor Insulator Transition Material”、“轻质液态金属物-Lightweight Liquid Metal Entity”、等，这些工作开辟出了一系列独特的功能材料发展方向。

图2. 液态金属优异的性能。

由此，液态金属复合材料正发挥日益重要的作用。事实上，复合策略在几乎所有的材料研发过程中均扮演着关键角色。从理论上讲，液态金属的各种功能均可由此加以设计。因此，在很大程度上可以认为，对于即将来临的液态金属时代，最终真正得到大规模广泛应用的往往就是这样的复合材料。然而，与巨大的需求相比，液态金属复合材料的研究与应用才刚刚拉开帷幕。为促成这一新兴方向的持续发展，联合团队结合实验室多年来的研究积累以及国内外最新进展，系统总结和评述了实现液态金属复合材料的基本途径（图3），特别归纳和讨论了具有核-壳结构的液态金属复合材料，液态金属-聚合物复合材料以及液态金属-颗粒复合材料等的基本特点及优缺点，剖析了寻找先进功能材料的基本理论与技术策略，对于未来研发新一代液态金属材料技术具有基础性指导意义。

图3. 实现液态金属复合材料的三种主要复合策略。

特别地，在这篇综述中，作者对过往液态金属复合材料重要的标志性成果进行了总结和归纳（图4）。据悉，这是业界首次对液态金属复合材料的发展历史进行梳理，对于本方向的未来发展大有裨益。到目前为止，有关液态金属复合材料的研究一直在持续增加，总结和归纳过去取得的里程碑式进展将有助于研究人员更好地了解液态金属复合材料的发展路径，从而实现更大的进步和突破。

图4. 有关液态金属复合材料的重大进展的时间线。

更进一步地，对于数目庞大且应用广泛的液态金属复合材料，作者依据文章提出的三种复合策略将液态金属复合材料分为三大类，分别是具有核壳结构的液态金属复合材料，液态金属-聚合物复合材料，液态金属-颗粒复合材料。对于每种复合策略的优缺点，文中也分别进行了论述。此外，本综述对每类液态金属复合材料在不同领域中的重要应用进行了全面归纳和分析。这些领域主要包括生物医学，柔性电子，软体机器以及化学催化等，并且针对液态金属复合材料在这些应用中出现的问题和挑战，未来可能的发展方向，作者同时也进行了回答。

图5. 液态金属-聚合物复合材料。

针对具有核壳结构的液态金属复合材料，综述着重介绍了天然存在的液态金属-氧化膜核壳结构及其应用。对于人工制造的具有核壳结构的液态金属复合物在生物医学，柔性机器以及化学催化等领域中的应用，作者也进行了详细梳理。液态金属-聚合物复合材料因为其优异的性质正在成为研究的前沿和热点，制备液态金属微纳米颗粒是其中重要的一步。在这篇综述中，作者详细介绍了制备液态金属微纳米颗粒的方法。进一步地，该综述也对目前常见的实现液态金属-聚合物导电的策略进行了总结和评述。随着研究的深入，液态金属-聚合物复合材料也具有越来越丰富的功能（图5），文章同时对其未来的发展进行了展望。科学研究发现添加颗粒可以有效地增强液态金属的优异性质或者弥补其不足。对此，本综述重点评述了颗粒的添加对液态金属导热率的增强以及磁颗粒的添加可以很好地赋予液态金属以磁性，进而实现更为广泛的应用。同时，针对液态金属-颗粒复合材料在化学催化以及生物医学中的应用，该综述也进行了归纳和总结。最后，本综述总结展望了液态金属复合材料所面临的挑战和机遇。

四、总结与展望：

此次受邀于知名刊物Matter就“液态金属复合材料”发表前瞻性评述，表明国际学术界对理化所与清华大学联合团队在液态金属领域原创性工作的认可。实验室自本世纪初首次将室温液态金属引入到芯片冷却行业以来，相继在液态金属印刷电子学与3D打印、生物医学、可变形柔性机器人等方面作出了开创性贡献，出版了系列填补学术文献空白的中英文基础著作，一批产业化成果相继问世，由此衍生出诸多液态金属复合材料，所引申出的学术内涵和应用层面十分广阔。此篇前瞻性评述的发表，可望及时有效的引导和推动液态金属复合材料新兴学科方向的建立和发展。