近期,中科院理化技术研究所液态金属与低温生物医学研究中心在Advanced Materials上发表了一篇题为“通向材料发现的液态金属组合学(Liquid Metal Combinatorics toward Materials Discovery)”的文章,系统提出了旨在发现和研制新一代先进功能材料的通用性液态金属组合学思想及其理论框架。论文第一作者为汪达伟博士和叶姣博士,通讯作者为刘静研究员和饶伟研究员。
室温液态金属是一系列熔点低于或接近环境温度的金属或合金,蕴藏着诸多令人着迷的材料特性,为物理、化学、生物医学、电子制造、半导体、机器人及低碳能源等许多领域的变革提供了重大机遇。作为新一代功能物质及材料,液态金属凭借其卓越的内在无限可拓展性,在基础科学和工程实践中彰显日益重要的地位,特别是近年来液态金属生物材料、可变形机器人、芯片冷却、印刷电子及半导体、3D打印等令人兴奋的应用纷至沓来,引发了世界范围的研究热潮。当前,围绕液态金属及其衍生材料的研发正逐步驶入快车道。随着应用范畴迅速扩大,现有液态金属的局限性也面临严峻挑战。为满足日益增长的需求,亟需在材料种类和功能上寻求突破。
图1. "液态金属组合材料学"(LMC)统一性理论框架。LiMj的内涵代表了液态金属(Li)与匹配材料(Mj)衍生出丰富多彩、功能多样的材料组合()。
图2. 液态金属组合材料学内涵。(a)LMC概念具有普遍适用性,各种液态金属与对应负载材料的可能组合为大量材料的合成提供了广阔空间。(b)尺度同样具广义性,涵盖从宏观到微观/纳米尺度通过精心设计的各种形式的液态金属组合。(c)结构也不受限制,可根据需要进行设计和加工,包含从固体、中空、多孔、壳芯、层状、均匀、Janus膜、微/纳米到三维空间结构。
图3. 液态金属与其它材料之间的化学、物理和生物学组合。由于具备独特的低熔点优势,液态金属或其经轻微改性的金属可以通过(i)物理、(ii)化学及(iii)生物方式与自然界中几乎所有种类物质相容结合。
图4. 微/纳米材料介导的LMCs制备方法。(a)改善颗粒内部化的氧化机制。(b) 颗粒通过吞噬作用实现内化。性能调控方面,包括(c)降低过冷效应;(d)增强热导率/电导率;(e)可调节流变学特性;(f)外场控制。
图5. 结构化LMCs。(a)液态金属可用作不同规模和尺寸的焊接材料。(b)液态金属涂敷型结构化材料。(c)基于液态金属的增材制造结构材料。
图6. 表面修饰型LMCs材料。(a)表面形成氧化层:(i)成分和结构效应;(ii)流变特性;(iii)形状变换;(iv)刺激反应。(b)彩色LMC的表面工程学:(i)伪彩色;(ii)结构颜色;(iii)荧光。(c)功能性LMC表面改性:(i)微/纳米颗粒辅助表面改性;(ii)基于化学、天然和生物化合物的表面改性;(iii)基于电化学置换的表面改性。
图7. 多孔化LMCs材料。(a)物理方法:(i)直接填充气泡或液体;(ii)与充气微球混合;(iii)牺牲模板法。(b)化学策略:(i)用水、酸或碱进行置换反应以产生天然气;(ii)分解化合物以释放气体;(iii)去合金化以形成空隙。
图8. 以微/纳米液体金属作为添加物和填料的LMCs材料制备方法。(a)将液态金属加载于弹性体中,结构由预制模板决定。(b)通过压力、附着力、范德华力和毛细管效应填充液态金属微通道。(c)将液态金属与基质机械混合,以生成均匀的液态金属嵌入弹性体。
图9. 低维化LMCs材料。基于(a)成分、(b)结构和(c)形态的低维液态金属组合材料学分类。
自本世纪初以来,理化所团队围绕液态金属开展了大量基础探索和应用实践,先后提出了一系列底层材料创制思想,如液态金属材料基因组方法、旨在强化液态金属热、电、磁、力性能的纳米液态金属材料学,用以改变如硅油、聚合物等属性的液态金属添加物技术,以及自我驱动型液态金属机器、彩色荧光液态金属、类似生物肺组织的多孔液态金属、液态导体-绝缘体转换材料、液态金属气泡/囊泡,乃至密度低于水可上下浮沉的轻量化液态金属材料等。具有通用意义的液态金属组合学思想正是在这些长期实践基础上提出的。在应用层面,理化所团队推出的系列性能优良的LMC材料已在芯片冷却与热管理、电子电路制造、半导体印刷、柔性医学传感以及临床骨科支具与骨修复等环节实现市场化。
原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202303533
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