中國(guó)粉體網(wǎng)訊 司馬遷在《史記·秦始皇本紀(jì)》中描述秦始皇陵時(shí)說(shuō):“以水銀為百川江河大�！彼鏊y是化學(xué)元素汞的俗稱，它就是我們今天要聊到的一類神奇材料“液態(tài)金屬”中的一種。
液態(tài)金屬是一系列熔點(diǎn)低于或接近室溫的金屬或金屬合金材料的統(tǒng)稱，它在室溫或較低的加熱溫度下呈現(xiàn)出一種可流動(dòng)、不定型的液體狀態(tài)。常見(jiàn)的液態(tài)金屬有銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)、汞(Hg)和鎵(Ga)等。
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然而，Rb、Cs、Fr的放射性和高化學(xué)活潑性，Hg具有易揮發(fā)性和高毒性，限制了它們?cè)趯?shí)際生活中的廣泛應(yīng)用。
不過(guò)，熔點(diǎn)為29.76℃的31號(hào)元素鎵比較特別，它不但具有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而且生物毒性很低。所以，目前科學(xué)家們研究最為廣泛的是以金屬鎵及其合金為代表的液態(tài)金屬。
常溫液態(tài)金屬在不同介質(zhì)中的界面效應(yīng)
液態(tài)金屬的出現(xiàn)，被視為人類利用金屬的第二次革命，在航空航天、精密機(jī)械、消費(fèi)電子、醫(yī)療、3D打印等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
01.液態(tài)金屬的絕活：“炫酷”技能
很多人對(duì)液態(tài)金屬應(yīng)用的最大印象，莫過(guò)于科幻影片《終結(jié)者2》，電影中機(jī)器人T-1000可以變成液體鉆過(guò)門(mén)縫，也可以忽然迅速聚攏，變成了一個(gè)可以自動(dòng)修復(fù)的無(wú)敵機(jī)器人戰(zhàn)士，展現(xiàn)出了液態(tài)金屬柔韌性，包括可變形性、可拉伸性和自愈能力等。
液態(tài)金屬的表面張力非常高，鎵基液態(tài)金屬的表面張力大約是水的10倍。也正是因?yàn)榇颂匦�，�?dǎo)致它會(huì)出現(xiàn)一些非常有意思的現(xiàn)象。比如說(shuō)，我們將兩個(gè)液態(tài)金屬液滴融到一起時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生收縮、變形，好像是一根液體彈簧一樣。
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液態(tài)金屬還具有很好的導(dǎo)電性，因此可以通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)操控它們——把磁性顆粒物質(zhì)跟液態(tài)金屬結(jié)合起來(lái)，就可以獲得磁性液態(tài)金屬。在外界磁場(chǎng)作用下，這種磁性液態(tài)金屬的表面可以長(zhǎng)出棱角，并且在磁場(chǎng)的作用和操控下能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的攀爬。
迄今為止，液態(tài)金屬最讓人匪夷所思的一個(gè)現(xiàn)象就是它具有自驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。在清華大學(xué)的一項(xiàng)研究中，液態(tài)金屬鎵安靜地躺在裝有溶液的器皿中，看上去毫無(wú)生氣，但是，將一塊鋁箔放進(jìn)去之后，液態(tài)金屬開(kāi)始變得不安分起來(lái)，它將鋁箔慢慢“吞噬”到自己體內(nèi)，并且迅速地動(dòng)了起來(lái)，在盛裝它的器皿內(nèi)跑動(dòng)。
總之，諸多神奇的性能讓液態(tài)金屬材料在柔性機(jī)器人、芯片制造、電子信息、能源、先進(jìn)制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。
02.散熱領(lǐng)域的顛覆性變革
電子元器件不斷朝小型化、高功率化方向發(fā)展，導(dǎo)致電子元器件在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱和溫升顯著，嚴(yán)重影響了元器件的工作可靠性和使用壽命，目前熱界面材料與液冷技術(shù)是常見(jiàn)的散熱方案。
液態(tài)金屬作為同時(shí)兼具流動(dòng)性、高導(dǎo)熱性、高體積相變潛熱的材料，正給先進(jìn)散熱技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了顛覆性變革。
熱界面材料
熱界面材料通常是聚合物復(fù)合材料，即以聚合物為基體，添加導(dǎo)熱填料制備而成。由于導(dǎo)熱填料都以固體顆粒的形式填充到聚合物基體中，因此，為獲得較高的熱導(dǎo)率，所需固體填料的體積分?jǐn)?shù)通常較高。但加入過(guò)量的固體顆粒又會(huì)使復(fù)合材料整體硬化，黏度顯著升高，從而喪失原有的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，加工性能變差。
而液態(tài)金屬的出現(xiàn)為此提供了有效的解決方案。液態(tài)金屬作為液態(tài)柔性導(dǎo)熱填料，具有黏度低、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，當(dāng)液態(tài)金屬用量較大時(shí)，復(fù)合材料仍可保持較低的黏度和良好的加工性。
就在今年CES 2025上，英偉達(dá)最新的Blackwell架構(gòu)顯卡——旗艦GPU GeForce RTX 5090 Founders Edition（創(chuàng)始人版）“輕裝”亮相。為了使其更輕薄，英偉達(dá)采用了三片式PCB和雙流通冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，新冷卻器的顯著特點(diǎn)是使用了液態(tài)金屬熱界面材料（TIM）而不是傳統(tǒng)的硅脂來(lái)控制575WTGP的熱設(shè)計(jì)功耗，引起了廣泛關(guān)注。
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當(dāng)然了，液態(tài)金屬用于熱界面材料還未完全成熟，例如其濕潤(rùn)性較差，因而難以涂抹；特別是鎵基合金，對(duì)電子設(shè)備中常用的許多材料（如銅、鋁和焊接材料）具有很強(qiáng)的腐蝕性，可能使設(shè)備退化、可靠性差、維護(hù)成本增加。此外，液態(tài)金屬的電導(dǎo)率高，存在溢出導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)，這些問(wèn)題是必須解決的。
液冷循環(huán)工質(zhì)
當(dāng)空氣冷卻無(wú)法滿足電子設(shè)備不斷增長(zhǎng)的發(fā)熱量時(shí)，液冷技術(shù)作為一種新穎有效的散熱技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)冷卻劑（包括水、油和熔鹽）的傳熱性能（尤其是導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)）較差，因此無(wú)法達(dá)到要求的冷卻性能。
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以液態(tài)金屬為循環(huán)工質(zhì)的熱控技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)可歸納為3個(gè)方面：首先，液態(tài)金屬因其良好的導(dǎo)電性而能夠由電磁泵驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)效率高，能耗低；其次，與水、油和熔鹽等非金屬介質(zhì)相比，液態(tài)金屬具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，因此液態(tài)金屬散熱模塊可以實(shí)現(xiàn)更極致的散熱能力；最后，液態(tài)金屬的理化性能穩(wěn)定，可以保證散熱系統(tǒng)高效、長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行。
液態(tài)金屬在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用不止于此，低熔點(diǎn)的液態(tài)金屬還可以作為相變材料在散熱領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)典型的商用閃存來(lái)說(shuō)，大約0.668mL的鎵基相變儲(chǔ)能材料就足以將其溫度保持在29℃以下18min以上，而在相同條件下傳統(tǒng)USB會(huì)快速達(dá)到42℃以上。
2023年8月“首次液態(tài)金屬空間熱管理在軌試驗(yàn)”在中國(guó)空間站進(jìn)行，試驗(yàn)用到了液態(tài)金屬的兩種散熱原理，即對(duì)流換熱和固液相變熱控。對(duì)流換熱就是利用液態(tài)金屬密度大導(dǎo)熱率高的特性從發(fā)熱表面快速帶走熱量。固液相變熱控是利用低熔點(diǎn)金屬吸熱后熔化以及放熱后凝固這兩個(gè)過(guò)程中溫度不變的特性將發(fā)熱表面控制在某一合適的溫度。實(shí)驗(yàn)顯示太空環(huán)境重力極微弱，液體金屬不會(huì)因溫度造成的密度變化而流動(dòng)，其內(nèi)部的溫度分布不均勻。太空散熱裝置設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮增加腔體向內(nèi)的傳熱結(jié)構(gòu)。
03.讓傳感材料“繞指柔”
近年來(lái)，隨著人工智能可穿戴領(lǐng)域的快速發(fā)展，柔性和可拉伸電子產(chǎn)品引起了人們的廣泛關(guān)注，作為其核心部件的柔性傳感材料已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。柔性傳感材料是指在彎曲、折疊時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)響應(yīng)的靈敏電子材料。近幾年來(lái)，柔性傳感材料在各種應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，涵蓋了可穿戴電子設(shè)備、柔性健康監(jiān)測(cè)器、柔性傳感器等。這些創(chuàng)新性的應(yīng)用為人們的日常生活帶來(lái)了更多便捷和高效。
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液態(tài)金屬作為一種新型的導(dǎo)電材料，具有高拉伸性、柔韌性和流動(dòng)性等特點(diǎn)，用于柔性傳感器領(lǐng)域可以大大增強(qiáng)靈敏度和拉伸極限，尤其是鎵基液態(tài)金屬熔點(diǎn)較低，這為實(shí)現(xiàn)低溫加工提供了可能性。
04.摩擦領(lǐng)域，環(huán)境越差越潤(rùn)滑
隨著科技的快速發(fā)展對(duì)潤(rùn)滑條件提出了極高的要求。一些航空機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，如在高溫和高負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，仍然會(huì)面臨在極端環(huán)境潤(rùn)滑不足導(dǎo)致的不可靠性問(wèn)題。傳統(tǒng)的固體潤(rùn)滑在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)因?yàn)楸∧さ钠屏押蛷幕咨厦撀鋵?dǎo)致潤(rùn)滑效果較差，因此出現(xiàn)了很多液體潤(rùn)滑劑和磁流體潤(rùn)滑劑等。與固體潤(rùn)滑相比，液體潤(rùn)滑具有流動(dòng)性好、摩擦磨損小、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的液體潤(rùn)滑劑通常由有機(jī)碳?xì)浠衔镏瞥�，該材料熱穩(wěn)定性差，在高溫下容易分解，從而使?jié)櫥Ч惶硐搿?/p>
研究發(fā)現(xiàn)，鎵基液態(tài)金屬（GaLMs）在低載荷下表現(xiàn)出較差的抗磨性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如潤(rùn)滑脂，但在極端條件下表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)和磨損率，可作為極端情況下的潤(rùn)滑劑。
05.生物醫(yī)療領(lǐng)域：神經(jīng)修復(fù)，骨科植入
生物醫(yī)用材料處于醫(yī)療健康領(lǐng)域變革的前沿，Ga基液態(tài)金屬作為一種新興的功能材料具有很好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。GaLMs具有低于或接近體溫的熔點(diǎn)，使其在保留金屬導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性的同時(shí)具備流體特性，可直接用于制造柔性生物傳感器或用于神經(jīng)和骨骼等的修復(fù)，也可制備成微納米顆粒用于藥物負(fù)載和疾病治療。
我國(guó)科學(xué)家曾經(jīng)做過(guò)這樣一次實(shí)驗(yàn)。他們把實(shí)驗(yàn)用的牛蛙大腿上的坐骨神經(jīng)切斷，再將液態(tài)金屬注射進(jìn)去，看是否能夠?qū)⑴Ｍ芤呀?jīng)斷裂的神經(jīng)連接起來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用液態(tài)金屬重新連接起來(lái)的牛蛙神經(jīng)可以很好地傳遞刺激信號(hào)，和沒(méi)有受傷時(shí)的神經(jīng)功能幾乎一模一樣，而且這種柔性的液態(tài)金屬植入到牛蛙體內(nèi)后，在好幾個(gè)月的時(shí)間里并沒(méi)有給牛蛙帶來(lái)任何負(fù)面的影響。
小結(jié)
隨著液態(tài)金屬一系列革命性應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)，這類以往只被零星研究或只在特殊領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注的材料逐漸進(jìn)入公眾視野，促成了若干新科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也打開(kāi)了諸多變革傳統(tǒng)技術(shù)的大門(mén)，正孕育著無(wú)盡的科學(xué)與技術(shù)前沿。液態(tài)金屬還賦予了我們各種重大技術(shù)暢想，將不斷成為現(xiàn)實(shí)。
參考來(lái)源：
[1]劉靜.液態(tài)金屬：無(wú)盡的科學(xué)與技術(shù)前沿
[2]覃惠楊等.液態(tài)金屬/硅橡膠復(fù)合材料的應(yīng)用研究進(jìn)展
[3]江雄等.液態(tài)金屬在電子熱控中的應(yīng)用進(jìn)展與挑戰(zhàn)
[4]尹富強(qiáng)等.鎵基液態(tài)金屬應(yīng)用的研究進(jìn)展
[5]張亞娟等.鎵基液態(tài)金屬基柔性傳感材料的制備研究進(jìn)展
[6]從水銀到鎵，神奇的液態(tài)金屬.趣味科學(xué)
[7]劉 洋等.Ga基液態(tài)金屬在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
