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液態金屬開啟新時代,中宣液態行業領跑者

Liquid metal opens a new era, Zhongxuan liquid industry leader

理化所發現液態金屬固液組合機器自激振蕩效應與跳躍等科學現象

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  近期,中國科學院理化技術研究所聯合清華大學研究組,首次報道了由液態金屬驅動的金屬絲振蕩效應、金屬顆粒觸發型液態金屬跳躍現象等,并研發出鍍有磁性功能層的自驅動液態金屬機器乃至以液態金屬為車輪的微型車輛,其中2項研究以封面文章形式發表。此前,液態金屬機器均以純液態方式出現,固液組合機器效應的發現和技術突破,使得液態金屬機器自此有了功能性內外骨骼,將提速柔性機器的研制進程。

  在發表于《Advanced Science》上的題為“Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator”(10.1002/advs.201600212,2016;封面文章)的論文中,研究小組報道了一種異常獨特的液態金屬固液組合機器的自激振蕩效應:將處理過的銅絲觸及含鋁的液態金屬時,銅絲會被液態金屬迅速吞入,并隨后在液態金屬機體上做長時間往復穿梭運動,如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般(圖1)。此外,用不銹鋼絲觸碰液態金屬,還可對銅絲的振蕩行為加以調頻調幅操控。造成上述現象的機制主要在于,鋁與堿溶液反應引發液態金屬與銅絲兩端出現浸潤力差異所致,這里,銅絲、液態金屬、電解液及氫氣之間多相界面的動態耦合產生了節律性牽引力。這一突破性發現革新了傳統的界面科學認識,也為柔性智能機器的研制打開了新思路,還可發展出流體、電學、機械、光學等系統的控制開關。

  在發表于《Applied Physics Letters》上的題為“Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles”(108, 223901, 2016)的論文中,作者們發現了一類有趣的液態金屬跳躍行為(圖2):向放有金屬液滴的溶液體系中加入固體金屬顆粒(鎳、鐵等)后,原本靜止的金屬液滴開始跳動起來,并在容器底留下一串餅狀“腳印”。研究揭示,金屬顆粒與液態金屬表面發生點接觸時,交界面處電場強度顯著增強,以至會在溶液內電解產氫,氫氣泡在基底不斷吸附長大形成“氣體彈簧”,這就為液滴跳躍提供了推力。導致電場極化的因素之一是來自液態金屬與固體金屬顆粒之間的電勢差即原電池效應(圖3);另一原因則在于,固-液材料界面間微觀形貌差異會導致電荷累積,繼而引發尖端放電效應。

  在《Journal of Materials Chemistry B》上的論文“Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery”(4, 5349, 2016, 封面文章)中,研究小組通過電鍍方法在液態金屬表面鑲嵌鐵磁性鎳層,由此實現了機器在外部磁場或電場作用下的靈活控制(圖4),并驗證了其在藥物遞送方面的潛在價值。超越于無規則運動型液態金屬機器的是,該磁性固液組合機器可實現運動起停、轉向和加速等復雜行為。

  進一步地,研究小組還發展出一種以柔性可變形“車輪”驅動的微型車輛,其由金屬液滴及經3D打印的塑料本體組合而成。在電場作用下,液態金屬“車輪”可發生旋轉變形,繼而驅動車輛行進、加速乃至實現更多復雜運動(圖5)。采用類似于四驅車的結構,研究小組證實其可在攜帶重物0.4 g的情況下以25 mm/s速度運動。這種固液組裝型柔性機器的設計概念可衍生出更多復雜的可控機器結構。相應研究發表于《RSC Advances》(Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016)上。

  十多年來,由劉靜研究員帶領的團隊圍繞液態金屬開展了大量原創性探索,在芯片冷卻、先進制造、電子技術、生物醫療及柔性機器等領域取得全面突破。團隊迄今已發現30類以上具有重要科學意義的液態金屬基礎現象或效應,研發出數十種實用技術,在包括北京、云南、廣東等地在內的全國范圍內推動產業化,先后促成了領先性液態金屬產品生產線、研發中心及科技館的建設落成,多種產品進入市場,提出的創建液態金屬谷乃至發展液態金屬全新工業體系的構想也正從理想變成現實,成果在海內外學術界和工業界產生重大影響。

  上述研究部分得到中國科學院院長基金資助。液態金屬物質科學與技術是國科大新近成立的未來技術學院重點布局的前沿學科方向之一。

  論文及視頻鏈接:

  1. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201600212/full#references

  2. http://dx.doi.org/10.1063/1.4953157

  3. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/tb/c6tb00996d

  4. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ra/c6ra10629c/unautha

 

 

圖1 期刊封面故事及液態金屬機器驅動的銅絲浸潤與自激振蕩現象

 

 

圖2 液態金屬液滴被鎳粉顆粒觸發后在NaOH溶液中產生的跳躍行為

 

 

圖3 金屬液滴與固體金屬顆粒發生點接觸后界面電場出現極化的原理和現象
 

 

圖4 期刊封面故事及鍍有鎳殼的固液組合式磁性液態金屬機器的可控與自主運動

 

 

圖5 柔性可變形液態金屬車輪驅動的單輪車及四驅車在電場控制下的運動行為

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