教育

T800为什么要进化到T1000?液态金属告诉你答案

字号+ 来源:中科院之声 2017-05-18 08:02 我要评论

提到液态金属,大家第一印象会在脑海中显现出电影《终结者》中那个无所不能的液态金属机器人,在最新的《终结者5》中,施瓦辛格扮演的T800机器人已经部分进化成了液态金属机器

提到液态金属,大家第一印象会在脑海中显现出电影《终结者》中那个无所不能的液态金属机器人,在最新的《终结者5》中,施瓦辛格扮演的T800机器人已经部分进化成了液态金属机器人T1000。液态金属机器人不仅具有液体的流动性,同时具备金属的高强度。神奇玄幻之处在于,它既可以自由变形,任意穿过阻拦物,同时在受到枪林弹雨的攻击后,无需防弹铠甲也能够自我修复,更神奇的是可以死而复生。

不同于常规的固态金属,镓基合金在室温下也能保持液态,具有流动性好、弹性好等特点,可以自由塑造成不同的形态。真实的液态金属千变万化、机敏灵动、神秘莫测,几乎表现出生命体所具有的特质。

如今,中国科学家继发现液态金属自驱动、自激振荡、跳跃等类生命体现象之后,取得了又一突破性进展。中国科学院理化技术研究所与清华大学联合小组,首次报道了室温液态金属如镓基合金液滴可在溶液或者电场激励下吞噬微/纳尺度金属颗粒的现象,文章在线发表于《尖端科学》并被选作封面故事。在这篇题为“液态金属吞噬效应:金属间润湿触发的颗粒内化”(Tanget al., Liquid metal phagocytosis: Intermetallic wetting induced particle internalization,Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201700024, 2017)的论文中,研究人员发现,金属液滴可在溶液环境中借助电场或化学物质的激励作用将周围颗粒吞入体内,如同细胞生物学界的胞吞效应,效率极高,这一发现也因此开辟了一条构筑高性能纳米金属流体材料的快捷途径。

液态金属吞噬动图插入及介绍

  • 动图1&动图2:溶解性酸性溶液激发的液态金属胞吞效应。

(动图1和动图2使用的颗粒分别是微米和纳米铜颗粒)表面附有颗粒的液态金属颗粒首先被置入水中,此时无明显变化。当HCl溶液加入后,液态金属液滴像被激活的细胞一样将其表面的颗粒吞入内部。在此过程中可以看到液态金属液滴转变为高度对称的球形,其表面颗粒的颜色也转变为明亮的红铜色。

  • 动图3&动图4:电场激发的液态金属胞吞效应。

(动图3和动图4使用的颗粒分别是微米和纳米铜颗粒)液态金属“细胞”在中性溶液中的胞吞作用可以通过对其施加一个阴极极化电势来诱发。中性NaCl溶液的作用是提供导电的溶液环境。在其他酸性、中性或碱性的导电溶液中,同样也可以通过电场极化触发液态金属的胞吞效应。

  • 动图5&动图6:辅助金属激发的液态金属胞吞效应。

(动图5和动图6使用的颗粒分别是微米和纳米铜颗粒)在碱性溶液中,可以在液态金属液滴中嵌入一小片铝片来诱发液态金属的胞吞效应。金属铝在NaOH溶液中存在电极电势,可以替代外加的阴极极化电势。

  • 动图7

液态金属对金属材料的润湿性与液态金属的胞吞效应具有直接关系。对应于动图1和动图2,动图7展示了液态金属在HCl溶液中对铜基底的良好润湿性。

  • 动图8

对应于动图3和动图4,动图8展示了在阴极极化电势诱发的液态金属液滴对铜基底从不润湿到润湿状态的转变。

  • 动图9

对应于动图5和动图6,动图9展示了在金属铝探针的诱发下,液态金属液滴对铜基底从不润湿到润湿状态的转变。

  • 动图10

酸性溶液中,液态金属对纳米银颗粒的胞吞效应。表明该作用可以迁移到其它颗粒体系中去。

众所周知,胞吞效应是生物界演化出的一种细胞吞噬外界颗粒的基本行为,普遍存在于从单细胞生物到各种高等级生物体系中。比如,变形虫可通过胞吞作用来获取营养物质,而高等生物则依靠巨噬细胞的吞噬作用来清理细胞残骸。在本项研究中,与外来物跨越细胞膜类似的是,颗粒进入液态金属内部的先决条件是必须克服同时存在于固/液两种金属相界面上的氧化膜的阻碍。对此,研究人员提出了三类激励机制以实现液态金属的胞吞作用,即:化学物质(动图1&2)、电阴极极化(动图3&4)、辅助金属物极化(动图5&6)触发(图1)。文章分别揭示在酸性、碱性和中性溶液环境中实现液态金属胞吞作用的规律(动图7,8,9)。其中,通过外加电场产生阴极极化的方法具有快捷可控、易于操作等优点(图2),因此也更具普适性。进一步研究还发现,支配液态金属胞吞现象的机制在于固/液两金属相之间的润湿作用,研究人员为此建立了旨在定量刻画固/液两金属相之间接触关系普遍规律的理论模型,较好地解释了实验结果(图3),并估算出不同材料颗粒胞吞作用的能垒,进一步预测了有关颗粒材料的吞噬作用能否自发进行。文章同时还指出,金属间的反应性润湿是胞吞作用得以推进的另一关键因素(图4)。

液态金属胞吞效应的科学意义与应用前景:液态金属系列吞噬效应的发现,展示出了十分丰富的科学内涵,其同时对于规模化制备超级液态物质如极高导热率界面材料、高导电性电子墨水以及强磁性液态金属等尤具价值。一方面,该发现使得不同金属颗粒得以高效分散加载到液态金属相中去,由此可以按照设计需求来人为增强或改善液态金属的某些物理化学特性;另一方面,该效应也使得液态金属可通过结合特定微/纳米颗粒来获得全新属性(动图10)。

此项工作兼具重要的基础科学意义和显著的实际应用价值。我们知道,作为独特的新一代功能物质和材料,液态金属由于在常温下呈液态,拥有优良的导电、导热和流动特性,显著扩展了常规金属和非金属材料的内在属性和用途,正为若干高新能源、电子信息、先进制造、国防军事安全、柔性智能机器人,以及生物医疗健康技术等的发展带来颠覆性变革,正催生出一系列新兴产业(图5)。无疑,这些应用都有赖于高性能液态金属材料的制造。然而,在迄今所获得的液态金属材料中,尽管它们已展示出许多卓越的性能,但其自身在电、磁、声、光、热、机械乃至化学等方面的材料优势还远未得到发挥,致使某些场合下的应用还受到很大限制。改变这一格局的重要途径之一就是结合各类先进材料对液态金属性能予以强化和调控。可将各种功能微/纳米材料予以高效内化的液态金属胞吞效应,打破了液态金属与颗粒自身的材料极限,将助力一系列尖端材料的实现。

液态金属胞吞效应在发展先进功能材料方面的若干典型应用:在芯片热控与能源利用领域,中国学者曾提出了研制自然界导热率最高的纳米金属流体材料的思想,并进行了早期探索,但已有的颗粒加载方法存在很大局限,使得这一目标的实现还存在很大技术难度;而在先进制造领域,正得到快速应用的全新一代液态金属电子墨水和3D打印材料,其导电率虽显著优于传统的纳米电子浆料,仍亟待进一步提升,此方面可望发展出工业界导电率最高甚至媲美传统金属块材的液态金属材料;在新兴的液态金属生物医学材料领域,可用以快速重建骨骼和牙齿的注射型金属材料已展示独特价值,其卓越的机械强度和硬度无疑会给应用大大增色;在特殊功能材料领域,兼具高导电性和高磁性的材料目前在自然界还很少见,奇异材料的实现会给未来技术应用创造新的机会;再有,在柔性机器人领域,具备特殊功能、刚柔相济的液态金属材料与装备技术如超级战甲、人体外骨骼、变形机器人等,将会因核心材料的突破获得跨越式发展。不难看出的是,随着液态金属胞吞效应的研究和应用,这些需求在一定程度上将能得到满足,相应发展空间广阔。

以上液态金属类生物学效应的基础发现再次彰显这类材料蕴藏着的新奇物理化学行为,对于理解人工材料与自然界生命现象之间的关联乃至进一步发展先进技术较具启发意义。有关研究得到中国科学院院长特别基金及前沿科学重点项目资助。

图1 期刊封面故事反映的液态金属吞噬颗粒效应(上、左)及三类技术实现途径(右)

图2 在三类溶液环境中铜基底上的液态金属响应性润湿行为及动态接触角变化情况

图3 液态金属内吞颗粒机制及其表面自由能演化(以银、镍纳米颗粒吞噬为例)

图4 强化液态金属胞吞效应的一种重要机制:金属间反应性润湿

图5 高性能液态金属材料可望发挥重要作用的典型领域

作者系中国科学院理化技术研究所研究员、清华大学医学院生物医学工程系教授

1.本站遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;2.本站的原创文章,请转载时务必注明文章作者和来源,不尊重原创的行为我们将追究责任;3.作者投稿可能会经我们编辑修改或补充。

相关文章
网友点评
你感兴趣的