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  傳統(tǒng)認(rèn)知中的金屬都是堅(jiān)硬且難以融化的，而液態(tài)金屬材料打破了這一固有印象。作為室溫低熔點(diǎn)合金材料，這類(lèi)液態(tài)金屬既繼承了金屬優(yōu)良的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，又具有了水一樣極好的流動(dòng)特性。相較于有劇毒的汞，鎵基合金具有難揮發(fā)、生物相容性好的特點(diǎn)，減少了對(duì)人類(lèi)及環(huán)境的威脅，逐步在印刷電子、3D打印及柔性傳感器乃至于生物醫(yī)療等方面發(fā)揮了重要作用。然而，金屬本身的高密度會(huì)使器件變重，影響到能耗的同時(shí)也限制了其可使用的范圍。

  近日，清華大學(xué)劉靜教授課題組基于共晶鎵銦合金（eGaIn）與空心玻璃微珠（Glass bubbles）材料彼此間的相容性，首次提出并制備了一系列低密度的液態(tài)金屬-玻璃微珠復(fù)合物（GB-eGaIn）（圖1）。這類(lèi)復(fù)合物的制作流程簡(jiǎn)便，具有良好的延展性與可塑性，還具有較好的導(dǎo)電性，其密度可降低至原金屬材料30%乃至更低，甚至可以漂浮于水面上（圖2）。此外，向GB-eGaIn表面滴加少量的水即可以改變?cè)摲N材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其密度與電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。基于以上特性，研究者們?yōu)樵摲N材料設(shè)計(jì)了平面與立體兩種應(yīng)用場(chǎng)景，并配合防水封裝材料以實(shí)現(xiàn)對(duì)該種材料的水中行為加以控制。

圖1. GB-eGaIn材料示意

圖2. GB-eGaIn材料的性質(zhì)

  基于GB-eGaIn良好的延展性，該種材料可以被輕松的壓成厚度低于1mm的薄片，且可實(shí)現(xiàn)卷曲、折疊等基本性質(zhì)，為其通過(guò)折紙方式構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)提供了可能（圖3）。與普通的液態(tài)金屬類(lèi)似，GB-eGaIn也可以通過(guò)溫度調(diào)控在柔性與剛性之間切換，實(shí)現(xiàn)承重功能。

圖3. 平面結(jié)構(gòu)的GB-eGaIn性質(zhì)及應(yīng)用

  得益于其低密度及薄片狀結(jié)構(gòu)特性，GB-eGaIn薄片可以輕松漂浮在水中（圖4）。在此基礎(chǔ)上配合以封裝材料，可以通過(guò)加入少量水實(shí)現(xiàn)對(duì)GB-eGaIn薄片沉浮特性的改變。研究者們基于此特性制作了水面漂浮開(kāi)關(guān)，成功實(shí)現(xiàn)了水中電路的通斷調(diào)控。這種薄片在烘干后可以重復(fù)利用，其電阻在經(jīng)歷八次加水-烘干循環(huán)后仍可保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖4. 平面GB-eGaIn在水中的性質(zhì)及行為

  基于其良好的塑性特性，GB-eGaIn還可直接被塑形成立體形狀，在外加防水PU膜封裝后可以實(shí)現(xiàn)水中漂浮，為其在水面漂浮器件的應(yīng)用提供了可能。這類(lèi)漂浮部件可以載起達(dá)自身重量8倍的重物，并可通過(guò)對(duì)其加入水或?qū)Ψ庋b材料的破壞進(jìn)行對(duì)漂浮行為的調(diào)控。研究者們通過(guò)向其上加入磁鐵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向的磁性控制，在到達(dá)指定位置后通過(guò)加入水及破壞封裝材料實(shí)現(xiàn)了懸浮及沉沒(méi)。這為其未來(lái)在水面漂浮器件的制造提供了可能。

圖5.立體結(jié)構(gòu)GB-eGaIn在水中性質(zhì)的行為

  該工作以“Lightweight Liquid Metal Entity”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上，論文第一作者是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士研究生袁博，通訊作者為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授、中科院理化技術(shù)研究所雙聘研究員劉靜教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709