其實(shí)，讓液態(tài)金屬動起來早在第一次試驗(yàn)中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。在電場的作用下，人為控制出來的液態(tài)金屬球發(fā)生了自旋現(xiàn)象。
研究人員盛磊向南方日報(bào)記者展示的試驗(yàn)中，能清楚地看到金屬球的周圍形成了一個(gè)漩渦對。如果將墨水灑在金屬球上，旋轉(zhuǎn)的金屬球立馬將墨水引向了兩邊，其自旋的方向清晰可見，整顆液態(tài)金屬球并非是按逆時(shí)針或者順時(shí)針在旋轉(zhuǎn)，而是在兩個(gè)半球上各自有一個(gè)自旋轉(zhuǎn)。
而且，將正負(fù)兩個(gè)電極放入容器中之后，液態(tài)金屬球會朝著正極的方向運(yùn)動。劉靜將其稱為“電驅(qū)動”。
但是，最新的科研成果卻讓這個(gè)發(fā)現(xiàn)顯得不那么“牛逼”。
還是一次偶然。
在去年9月的一次實(shí)驗(yàn)中，液態(tài)金屬表面的氧化物影響了實(shí)驗(yàn)效果。張潔隨手抄起桌上的一張鋁箔，卷成小棍試圖剝?nèi)ヒ簯B(tài)金屬表面的氧化膜。奇跡就這樣不期而至。當(dāng)鋁箔碰到液態(tài)金屬球的時(shí)候，這個(gè)安靜的球體竟然燥動起來，它開始在裝有氫氧化鈉溶液的器皿中運(yùn)動，圍著器皿的內(nèi)壁一圈圈的跑動。
這時(shí)，沒有人向之前一樣給它通電，也就是說這不是“電驅(qū)動”。而且，沒想到的是，液態(tài)金屬竟然不知疲憊地奔跑了一個(gè)小時(shí)還沒有停下來。
為了向南方日報(bào)記者展示自主運(yùn)動現(xiàn)象，盛磊將一塊鋁箔放在液態(tài)金屬球旁邊，只見液態(tài)金屬球慢慢地吞噬了這塊鋁箔，并且將鋁箔移動到了它的“尾巴”處，開始奔跑起來。鋁箔則慢慢地消失，仿佛被這個(gè)液態(tài)金屬球“消化”了一樣。
“最奇怪的是液態(tài)金屬并不是自身與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它是把鋁當(dāng)成了食物，為它自身的運(yùn)動提供能量。”劉靜說。
這讓液態(tài)金屬擺脫了對于龐雜的外部電力系統(tǒng)的依賴，實(shí)現(xiàn)了自運(yùn)動。目前，實(shí)驗(yàn)室已能制成不同大小的液態(tài)金屬，尺度從數(shù)十微米到數(shù)厘米，且可在不同電解液環(huán)境如堿性、酸性乃至中性溶液中運(yùn)動。
而且，在實(shí)驗(yàn)中，吞噬了鋁箔的液態(tài)金屬球既可在自由空間運(yùn)動，又能于各種結(jié)構(gòu)槽道中蜿蜒前行。它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調(diào)整。實(shí)驗(yàn)室人員甚至還為它設(shè)計(jì)了專門的跑道，各種大小的液態(tài)金屬在里面隨意穿行。
高效率能量轉(zhuǎn)換
液態(tài)金屬在吞噬了相當(dāng)于其體重3%左右的鋁箔后，可以5厘米/秒的速度運(yùn)動一個(gè)小時(shí)以上，這時(shí)的液態(tài)金屬既是新材料又是新能源
液態(tài)金屬既可以人為控制形狀，又能在不借助外部電場的作用下實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動，已然“驚世駭俗”。論文發(fā)表之后迅速引起關(guān)注，據(jù)盛磊介紹，《先進(jìn)材料》雜志的其他文章平均受關(guān)注指數(shù)在6左右，而他們的文章遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這個(gè)平均值，發(fā)表一個(gè)月以來已達(dá)267，“獲得這個(gè)雜志有史以來最高的關(guān)注度”。
“因?yàn)殇X很容易形成氧化膜，導(dǎo)致其不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但是液態(tài)金屬阻斷了鋁的氧化膜的形成，使其與容器中的液體發(fā)生反應(yīng)，從而為液態(tài)金屬的運(yùn)動提供能量。”劉靜說。
這個(gè)過程中提供能量的機(jī)制就是原電池反應(yīng)以及氣泡的推動。所謂原電池反應(yīng)，指的是由兩塊活潑性能不同的金屬作為原電池的兩個(gè)電極（活潑的金屬是電池的負(fù)極，不活潑金屬作為電池的正極），放入電解質(zhì)溶液中，再由導(dǎo)線形成閉合回路。
據(jù)劉靜介紹，剛開始“液態(tài)金屬機(jī)器”沒有外部動力，“吞噬”鋁片后，被卸掉裝甲的鋁片與溶液發(fā)生反應(yīng)，在電解液里形成原電池反應(yīng)，會產(chǎn)生電力和氫氣泡推動液態(tài)金屬前進(jìn)。
如果液滴個(gè)體很小，在微米級別，就可以靠氣泡的反作用力推動；如果液滴個(gè)體比較大，在毫米、厘米級別時(shí)，氣泡的作用微乎其微，這時(shí)，鋁與液態(tài)金屬組成短路原電池，形成內(nèi)生電場，這會改變液態(tài)金屬表面電雙層的分布，誘發(fā)液態(tài)金屬表面張力出現(xiàn)不均衡，進(jìn)而產(chǎn)生較大推動力。“液態(tài)金屬表面張力是液體里最高的，是水的近9倍。由于它既是液體又能導(dǎo)電，就可以在電雙層表面張力作用下運(yùn)動。表面張力會讓液態(tài)金屬向球形發(fā)展，在內(nèi)部形成漩渦。從流體力學(xué)來說，是非常獨(dú)特的，像風(fēng)火輪一樣內(nèi)部出現(xiàn)大回環(huán)，又像坦克一樣用輪子帶動履帶。”劉靜說。
液態(tài)金屬在吞噬了相當(dāng)于其體重3%左右的鋁箔后，可以5厘米/秒的速度運(yùn)動一個(gè)小時(shí)以上。“這個(gè)能量轉(zhuǎn)化機(jī)制是非常高的，雖然我們沒有詳細(xì)的測算，但是對比來看，絕對算高效率。”盛磊說。
在盛磊看來，吞食了鋁箔而進(jìn)行自主運(yùn)動的液態(tài)金屬既是新材料又是新能源，“首先這種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制非常好，其次，自主運(yùn)動的液態(tài)金屬本身也是一個(gè)動力源，可以為其他的物體運(yùn)動提供動力。”
■應(yīng)用前景
關(guān)于液態(tài)金屬的研究成果，最吸引人的莫過于制造一個(gè)液態(tài)金屬機(jī)器人。但是盛磊坦言距離這個(gè)目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)。
首要的障礙就是如何加強(qiáng)對于液態(tài)金屬形態(tài)以及運(yùn)動的精確控制。劉靜表示，目前還無法通過人為控制使得液態(tài)金屬出現(xiàn)更多的形態(tài)變化。
讓液態(tài)金屬“站”起來一直是這個(gè)團(tuán)隊(duì)努力實(shí)現(xiàn)的事情，但是目前奇跡還沒有發(fā)生。據(jù)劉靜介紹，就像人體一樣，是由各個(gè)部分組成的，要想讓液態(tài)金屬站起來，或許也要考慮這種組合的方式。比如，他們正在試圖給液體金屬機(jī)器人搭建支架，讓它們通過附著的方式組合起來，從而完成站立這一壯舉。
“把液態(tài)金屬用皮膚套裝起來，或者用毛細(xì)現(xiàn)象將它附著在其他金屬骨架表面，它就可以不局限于溶液中，能走出去執(zhí)行高難度的特殊任務(wù)”。
液態(tài)金屬機(jī)器人需要融合材料學(xué)、生物學(xué)、機(jī)器人、流體力學(xué)、電子、傳感器以及計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的知識，這才是把想象力變成現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。
在研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)想中，救災(zāi)中柔性機(jī)器人可以穿過狹小空隙再恢復(fù)原形繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；醫(yī)療手術(shù)中，柔性機(jī)器人可沿血管等人體自然腔道運(yùn)動，將藥物送入靶點(diǎn)，或者直接清掃血管里的垃圾；在外太空探索中，柔性機(jī)器人可以在微重力或無重力環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。
“如果把電子編程看做是神經(jīng)調(diào)控，液態(tài)金屬看作‘細(xì)胞’功能執(zhí)行單元，通過電子芯片進(jìn)行編程并結(jié)合一定的材料技術(shù)，就可以讓液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)可控的變形和組裝集成，并實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)型剛性和硬質(zhì)機(jī)器人無法做到的無縫連接。”劉靜說。
這些設(shè)想還有些遙遠(yuǎn)，但是關(guān)于液態(tài)金屬的應(yīng)用卻已成為現(xiàn)實(shí)。
2013年，劉靜基于對液態(tài)金屬的研究，成功實(shí)現(xiàn)了在紙上“打印”電子電路：它的基本觀念在于，在常溫狀態(tài)下，“墨水”就是液態(tài)金屬，打出來就能成為電路。
2002年前后，劉靜使用一種液態(tài)的鎵銦錫合金，用作計(jì)算機(jī)CPU冷卻劑，以替代傳統(tǒng)的風(fēng)扇散熱器。
由于鎵基液態(tài)金屬具有杰出的導(dǎo)電性能，是水的數(shù)億倍，其電導(dǎo)率顯著優(yōu)于納米復(fù)合材料等其他熱門神經(jīng)修復(fù)材料。劉靜便朝著這個(gè)方向大膽邁進(jìn)，使用鎵基液態(tài)金屬修復(fù)人體受損的神經(jīng)。研究團(tuán)隊(duì)將牛蛙大腿上的坐骨神經(jīng)剪斷，再用注射器將液態(tài)金屬注射進(jìn)去，以連接剪斷的神經(jīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重新連起來的神經(jīng)能很好地傳遞刺激信號，在信號傳導(dǎo)效果上與未受傷的神經(jīng)幾乎一樣。而且，由于鎵銦錫金屬在X射線下具有很強(qiáng)的顯影性，在完成神經(jīng)修復(fù)后很容易再通過注射器取出體外，這就避免了復(fù)雜的二次手術(shù)，被稱作是“令人震驚的醫(yī)學(xué)突破”。 （記者 王騰騰 實(shí)習(xí)生：張阿高 策劃統(tǒng)籌：黃慧瑩）
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