科学家发现液态金属在石墨表面的自由塑型效应

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近日，中国科学院理化技术研究所低温生物与医学研究组首次报道了液态金属可在石墨表面以任意形状稳定呈现的自由塑型效应，并实现了逆重力方式的攀爬运动，研究以封面文章形式发表于《先进材料》。此前，金属液滴因自身表面张力较大，在电解液中通常以球形方式存在，塑形能力及变形模式相对有限。
在这篇题为《石墨表面上的液态金属操控》(Hu et al., Manipulation of Liquid Metals on A Graphite Surface, Advanced Materials, vol. 28, pp. 9015, 2016)的论文中，研究组首次发现通过引入石墨基底，可灵活自如地将处于电解液环境中的液态金属塑造成各种锐利图案如条形、三角形、方形、环形以及更多任意形状(图1)。迄今，液态金属虽可通过外加电场短暂改变形状，然而一旦去除外场，液态金属即会在其表面张力作用下迅速回缩成球形，无法维持先前的结构。此次发现的液态金属自由铺展与塑型效应，为柔性变形机器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。

图1 期刊封面故事及液态金属在石墨表面的自由铺展与塑形效应

实验表明，将一滴液态金属置于浸没在氢氧化钠溶液中的石墨表面上时，液态金属会自动摊开形成扁平的煎饼状，这与位于玻璃基底上以球形方式呈现的液态金属非常不同(图1)。引发这类铺展效应的原因主要来自液态金属与石墨基底间的电化学(electrochemistry)相互作用。在碱性溶液中，石墨表面通常带正电荷，而液态金属表面带负电荷，当这两种导体接触时，电荷会从液态金属流向石墨，液态金属表面被氧化形成氧化膜，这会显著降低其表面张力，此时液态金属表现为类似于泥浆的状态，由此可被随意塑造成各式各样的形状。该项研究首次实现了在开放液体环境中的液态金属自由塑形，突破了原有的液态金属元件调控模式，在不定形柔性电子器件、可变形智能机器的设计乃至先进制造方面有重要价值。

图2 石墨基底表面的液态金属在外电场作用下的变形与匍匐运动行为

图3 电控液态金属以蠕动变形方式在石墨斜坡上逆重力攀爬的情形(侧视及俯视图)

进一步地，基于石墨表面的液态金属自由塑形效应，研究人员探索了电场作用下液态金属不同于传统基底材料如塑料、玻璃等情形的丰富的物理化学图景(图2)，初步揭示了其独特的变形及匍匐运动行为的内在机制。有趣的是，作者们还首次揭示出处于自由空间下的电控液态金属的蠕动爬坡能力，实现了逆重力方式的运动(图3)；而采用常规材料，液态金属会因自身重力较大且表面光滑难以攀爬的缘故，不易通过外电场实现逆重力牵引。新发现扩展了近年来兴起的液态金属柔性机器的理论与技术内涵。
此项研究得到中科院院长基金特别支持项目资助。

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