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聽到液態(tài)金屬你會想到什么？汞？還是電影《終結者》中某個壞boss？

不過面對這個問題，North Carolina State University的化學工程學教授Michael D. Dickey想的跟你可大不一樣。在他們的腦海中，浮現(xiàn)出的是鎵以及鎵的合金。North Carolina State University是世界上為數(shù)不多的研究這種特殊材料的學術機構，不過，他們的同伴很快就會多起來，因為這種材料正在柔性可伸展電子設備領域大展身手。

說到可伸展電子設備，現(xiàn)代青年肯定不會陌生，通過把柔性電路整合到貼身運動服或者植入到人體內，這種新型電子設備正在改變我們對于運動、醫(yī)療、機器人等領域的認知。而液態(tài)金屬除了在上述設備中扮演重要角色，在微流體領域中也得到了應用。

夢幻般的材料

如果你聽上一段Dickey和他的同事們對于鎵類液態(tài)金屬的性質描述，你會懷疑是不是在看一部科幻大片。鎵的熔點在30攝氏度左右，擱在手中甚至就會化掉。另一方面，鎵由很難凍成固體，是因為往往會出現(xiàn)“過冷”現(xiàn)象。所謂的“過冷”，是指即便溫度降到熔點一下，如果不受擾動，鎵就會維持液體性狀。而一旦受到擾動，則相當于認為引入了結晶成核位點，鎵就迅速固化。

鎵還有其他一些科幻般的性質，比如在超過2000度溫度范圍內都是液態(tài)；另外當其固化時則會膨脹。所以，鎵擁有幾乎為零的蒸汽壓，這意味著它在真空下也不會揮發(fā)——這種性質一般屬于粘稠液體，但鎵的粘度卻僅僅是水的兩倍而已。

不過，鎵最炫酷的性質莫過于其表面化學性質。鎵或其合金接觸空氣后，馬上會在其表面生成成分為Ga2O3的納米級薄膜，對內部金屬起到了物理保護的作用。借助于針頭，研究者可以把鎵金屬畫成任意圖案，并可以保持其固定形狀，這種過程有點像在蛋糕上點綴糖霜——只不過這里的“糖霜”是金屬，而畫作可以是電子電路。畫的過程中要分外小心，一旦圖案過于密集，表面保護膜便會受損，液態(tài)金屬便會流動，直到新的保護膜形成。

面點師在制作蛋糕圖案的時候，要掌握點綴器嘴的種類、噴點的速度以及其他各種條件。而液態(tài)金屬研究者在制作金屬圖案的時候，跟這個有點像。兩年前，Kramer領導的研究小組在研究eGaln合金的時候，詳細考究了噴嘴直徑、流動速率、針-面間距對金屬圖案的影響，eGaln是以質量3:1混合的鎵銦合金，熔點在15.5℃。

借助于機械化電腦平臺，該研究小組可以在玻璃或者聚合物PDMS表面畫出各種圖案。隨后，研究者使用顯微鏡來研究了氧化物保護膜與其基底表面的關系。他們發(fā)現(xiàn)，圖案可以穩(wěn)定地存在，這是因為氧化物層與基底的結合傾向要比合金穿過保護膜彼此溶合的傾向還要大。有了這些初步發(fā)現(xiàn)，他們可以進一步地優(yōu)化其圖案打印方案。

研究者隨后展示出了液態(tài)金屬可以制作一些功能性器件——比如應力計。通過測量電路導電能力的變化，應力計可以測出一種材料發(fā)生形變的大小。

可穿戴設備的福音

鎵金屬表面的氧化物保護膜不僅使得液態(tài)金屬維持其形狀，也為其改變形狀提供了可能。Dickey’領導的研究小組利用這樣的特點發(fā)明了一種可以自制任何形狀液態(tài)金屬的方法。研究者把eGaIn先涂布在可伸展的高分子材料表面，由于二者之間有著一定的粘結力，當拉伸高分子材料的時候，液態(tài)金屬也可被拉伸。這樣的方式不需要任何復雜的專業(yè)設備，可以生產出細達10微米的液態(tài)金屬線。這種技術在柔性電子設備的設計上有著很廣闊的應用前景。

嵌套在高分子材料中，液態(tài)金屬可被拉伸

還有一些研究者利用液態(tài)金屬與高分子進行摻雜，使得高分子材料獲得導電性。要實現(xiàn)這樣的轉變，傳統(tǒng)的方法包括在高分子中摻雜炭黑、碳納米管或金屬粒子，但這些方法無一例外都會讓高分子材料變硬變脆。而使用液態(tài)金屬則可以克服上述難題。Carnegie Mellon University的Carmel Majidi是把這個特點玩到極致的人。在一項最新研究中，他們將galinstan（鎵、銦、錫的合金）與PDMS進行共混，金屬液滴以微米級的尺寸分布在高分子之中。這時材料還無法導電，一旦使用一些尖銳的筆尖在其上繪出一些圖案，里面的金屬液滴就會彼此融合，因此。就可以“畫出”一個導電電路。

液態(tài)金屬的上述諸多性能使得它與柔性電子設備的制造相契合。Swiss Federal Institute of Technology的Stéphanie P. Lacour研究小組結合液態(tài)金屬發(fā)明了一種可穿戴設備。

與大多數(shù)人使用的液體沉積方法不同，該小組為了可以與標準的半導體制造技術相兼容，使用的是氣相沉積技術。他們首先在薄膜上噴涂一層金，隨后將鎵蒸鍍于其上，得到了一種具有連續(xù)兩相的膜材料。這樣的技術可以讓我們的穿戴品更加炫酷，可以設計出具有LED堆積層的器件，亦或是可以感受手指微小活動的手套。

液態(tài)金屬的研究方興未艾。但是，液態(tài)金屬也有其固有缺點，比如其特殊的表面張力、粘度和密度造成了與現(xiàn)有的液體加工技術是不兼容的。但這些困難并不會減慢人們探究它的腳步，越來越多的研究者正在走進這個領域，想一窺液態(tài)金屬迷人的風采！

參考文獻：

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