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关于液态金属材料您需要知道的一切

12 月 25, 2024

镓既能保持液态金属材料的特性，又能在环境温度下保持固态介质的机械柔性和电气刚性。本文介绍了这些非凡的软金属的物理化学特性、合成方法和潜在应用，如柔性电子器件、软机器人、自愈结构等。了解科学家们如何利用具有可在固态和液态之间改变性质的液态金属材料。

液态金属材料：变形制造

与传统的液态金属材料不同，某些镓合金成分由于熔点极低，可在室温或接近室温的条件下达到流体状态。这样，只需对温度进行微小调整，就能在固态和液态之间实现动态转换。当与导电性相结合时，这些可逆转换可实现从自愈合电路到可重构机器人的各种应用。在此，我们将介绍镓基液态合金的一些具体特征、特性和潜在用途，以及使用这些多功能软材料创建和图案化结构的一些新方法。

镓合金与结构化室温液态金属的未来

镓是一种柔软的银色金属，在室温下呈固态。然而，当镓与铟和锡等其他金属结合在一起时，就会形成在室温下保持液态的合金或混合物。这些特殊的液态金属材料具有一些相当独特的特性，让我们来详细了解一下。

三种镓合金是 Galinstan、EGaIn 和 Field's metal。Galinstan 是一种由镓、铟和锡组成的合金。EGaIn 是由铟、镓和锡制成的具有液态和流动性的金属合金。EGaIn 是镓和铟的混合物。菲尔德的金属板制造含有铋、铟和锡。所有这些合金的熔点都低于 30 摄氏度，这意味着它们只需稍稍加热或冷却，就能在固态和液态之间轻松转换。

液态金属的一个神奇之处在于，它们能像水一样流动，但却能像普通金属一样良好导电。这使得它们在需要灵活性和导电性的应用中大显身手。它们可以很容易地填充奇特的形状，并与所接触的表面相吻合。

由于液态金属材料是不同元素的混合物，它们的熔点比任何一种纯金属都要低。Galinstan 的熔点约为零下 19 摄氏度，EGaIn 的熔点约为 15 摄氏度，菲尔德金属的熔点约为 62 摄氏度。接近室温时，它们仍保持液态，但少量冷却后可短暂凝固。

从固态到液态的可逆相变能力带来了新的可能性。镓合金制成的设备在结构受到破坏时可以自我修复，因为金属可以重新流动在一起。如果供电电路需要与人互动，液态金属的柔软性也使其比刚性材料更安全。

总之，室温液态金属具有传统金属所不具备的各种特性。固体金属加工或其他材料。镓合金的导电性使其能够集成到电子和能源应用中，而流动性则提供了灵活性。许多研究人员正在探索镓合金在传感器、生物医学设备、自组装结构等方面的应用。只有时间才能证明这些非凡的多功能材料将如何改变技术。

低熔点液态金属的应用

由于液态金属可以像导线一样弯曲和折叠而不会断裂，因此对柔性电子产品非常有用。研究人员已经制造出液态金属材料晶体管和集成电路，即使在拉伸或扭曲时也能保持功能。用镓合金制成的显示器可以在屏幕被挤压或折叠时重新配置像素图案。

另一项应用是利用液态金属的自愈能力。由微小的镓合金液滴制成的电路可以自动修复导电通路的断裂。如果链接因磨损或损坏而断裂，液态金属可以重新整合并恢复连接。这样就可以实现具有防断裂互连的自我修复电子设备。

软体机器人技术是另一个受益于高性价比金属材料技术。注入弹性体的镓合金可以制造出在磁场或电场作用下形状可调的机器人。在外部控制的引导下，复杂的模块化结构也可以由液态金属部件自行组装而成。

一些创新项目甚至利用了液态金属浮力。注入镓合金中的微气泡使其密度低于水。这样就能设计出漂浮机器人、可重新配置的木筏和能在全身分散重量的外骨骼。轻型辅助设备或水上交通工具有助于扩展人类的能力。

从柔性小工具到自愈电路和可变形机器人，镓合金合成和操纵技术的进步正在推动新的应用。液态金属材料能够顺利地将导电性、流动性和外部塑形融为一体，为医疗保健、基础设施等领域打开了大门。进一步的发展必将产生更多的创新用途。

通过液态金属相变重构结构

液态金属膜的二维变形

研究人员开发出了利用电编程表面张力效应将液态金属材料动态变形为用户定义的二维形状的技术。通过在金属加工技术将液态金属膜注入弹性体基底后，可有选择地降低指定图案区域的表面能谱。这样就可以在室温下根据指令对液态金属的几何形状和位置进行重新定位和动态编程。

磁驱动液态金属超材料

另一种方法是利用磁致动液态金属材料超材料。通过在弹性复合结构中加入镓合金的微滴或微通道，外加磁场可使其整体形状发生变形和重构。磁场引起的应力会使基底内的液体模板变形，从而改变外部几何形状和内部连通性。通过对液态金属的固液相行为进行磁编程，可以调整密度、孔隙结构和夹杂模式等特性。

可重新配置 3D 打印液态金属晶格材料结合了这些技术。混合制造方法产生了填充镓的桁架结构，其框架几何形状和单元格配置可以动态控制。可逆凝固开辟了可部署和自恢复功能，而导电性则实现了从生物医学传感器和软机器人到可部署电子设备和可重新配置电磁透镜或屏蔽的各种应用。

用于柔性电子器件的室温液态金属

液态金属合金和电路

一项关键的研发成果利用了被称为 EGaIn 的镓和铟的低熔共晶合金。卡内基梅隆大学的研究人员将这种金属合成为可充当可重新编程像素的微小液滴。当施加微小电压时，液态连接器就能像固态晶体管一样连接或分离电路通路。这就为自我修复电路引入了一种新的范式，它可以通过液体的重新分布来恢复连通性。

液态金属晶体管和显示器

从理论上讲，液态金属材料的延展性和导电性使其非常适合开发新一代柔性电子产品。正在研究的一些著名应用包括使用液态金属像素的可重写和可折叠显示器。这些动态显示合金薄片可以折叠、扭曲和重塑，而不会破坏电路。该技术还可用于贴合人体等非刚性表面的电子皮肤。

用于可拉伸电路的共形涂层

要实现液态金属材料电路，在弹性基底上仔细沉积薄而均匀的涂层至关重要。旋涂和真空浇注等技术已被证明可以将镓合金镀成只有几微米厚的薄膜。结合传统的可拉伸电路设计，这些顺应性液体涂层可用于制造可穿戴电子设备和生物集成设备，即使在物理应变或扭曲的情况下也能保持高功能性。其潜在应用范围包括医疗嵌入式传感器和保形智能织物。

通过液态金属相变实现自愈合

液态金属晶格中的可回收能量吸收

研究人员三维金属打印以弹性体为基础的晶格，内部有液态金属材料脉络支架。对这些材料施加机械负荷会导致液体成分在弹性聚合物框架内发生塑性变形。卸载后，液体凝固并随后重新加热，可通过形状记忆效应自我恢复原来的晶格结构。这样，这种结构就能反复吸收巨大的冲击力或变形，并从冲击力或变形中恢复过来。

通过温度控制实现可调刚性

另一种自修复策略是通过调节环境温度来引导液态金属材料的固液转变。含有镓合金比例的复合材料会随着温度的升高而自然变硬。凝固冷却后会变软，再次加热超过熔点后又会变软。初步研究表明，材料可以根据不同的环境条件 "按需 "有选择地调整其有效刚度。

动态现场可编程连接

一种更积极的方法是利用外部刺激来引导液态金属材料重新分布。例如，当电流通过时，含有电通路的复合材料可以愈合切口或缝隙。同样，结构性损伤也可通过局部电磁场触发液态金属脉络重新生长。这提供了一种既能自我修复现有连接网络，又能重新编程全新配置和拓扑结构的方法。

结论

总之，镓基液态金属材料合金表现出非凡的特性，为先进材料开辟了新的可能性。它们能够在室温以上发生可逆的固-液相变，因此具有不同于传统刚性金属的多功能特性。液态金属的流动性允许通过液体再分布或凝固实现结构重塑和自我修复。同时，它们的导电性允许应用于柔性电子设备、软机器人和可重构电磁设备。正在进行的研究将继续为制造、功能化和引导这些非凡材料的行为提供新的方法。随着进一步的发展，液态金属有望在生物医学植入物、可定制机械和可部署技术等领域掀起一场革命。