清华大学刘静教授课题组《Adv. Funct. Mater.》：研发出轻量化液态金属材料
传统认知中的金属都是坚硬且难以融化的，而液态金属材料打破了这一固有印象。作为室温低熔点合金材料，这类液态金属既继承了金属优良的导电性与导热性，又具有了水一样极好的流动特性。相较于有剧毒的汞，镓基合金具有难挥发、生物相容性好的特点，减少了对人类及环境的威胁，逐步在印刷电子、3D打印及柔性传感器乃至于生物医疗等方面发挥了重要作用。然而，金属本身的高密度会使器件变重，影响到能耗的同时也限制了其可使用的范围。
近日，清华大学刘静教授课题组基于共晶镓铟合金（eGaIn）与空心玻璃微珠（Glass bubbles）材料彼此间的相容性，首次提出并制备了一系列低密度的液态金属-玻璃微珠复合物（GB-eGaIn）（图1）。这类复合物的制作流程简便，具有良好的延展性与可塑性，还具有较好的导电性，其密度可降低至原金属材料30%乃至更低，甚至可以漂浮于水面上（图2）。此外，向GB-eGaIn表面滴加少量的水即可以改变该种材料的内部结构，从而实现对其密度与电学性质的调控。基于以上特性，研究者们为该种材料设计了平面与立体两种应用场景，并配合防水封装材料以实现对该种材料的水中行为加以控制。
图1. GB-eGaIn材料示意
图2. GB-eGaIn材料的性质
基于GB-eGaIn良好的延展性，该种材料可以被轻松的压成厚度低于1mm的薄片，且可实现卷曲、折叠等基本性质，为其通过折纸方式构成三维结构提供了可能（图3）。与普通的液态金属类似，GB-eGaIn也可以通过温度调控在柔性与刚性之间切换，实现承重功能。
图3. 平面结构的GB-eGaIn性质及应用
得益于其低密度及薄片状结构特性，GB-eGaIn薄片可以轻松漂浮在水中（图4）。在此基础上配合以封装材料，可以通过加入少量水实现对GB-eGaIn薄片沉浮特性的改变。研究者们基于此特性制作了水面漂浮开关，成功实现了水中电路的通断调控。这种薄片在烘干后可以重复利用，其电阻在经历八次加水-烘干循环后仍可保持相对稳定。
图4. 平面GB-eGaIn在水中的性质及行为
基于其良好的塑性特性，GB-eGaIn还可直接被塑形成立体形状，在外加防水PU膜封装后可以实现水中漂浮，为其在水面漂浮器件的应用提供了可能。这类漂浮部件可以载起达自身重量8倍的重物，并可通过对其加入水或对封装材料的破坏进行对漂浮行为的调控。研究者们通过向其上加入磁铁，实现了对其运动方向的磁性控制，在到达指定位置后通过加入水及破坏封装材料实现了悬浮及沉没。这为其未来在水面漂浮器件的制造提供了可能。
图5.立体结构GB-eGaIn在水中性质的行为
该工作以“Lightweight Liquid Metal Entity”为题发表在Advanced Functional Materials上，论文第一作者是清华大学医学院博士研究生袁博，通讯作者为清华大学医学院生物医学工程系教授、中科院理化技术研究所双聘研究员刘静教授。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709
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