近期，中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合研究小組，首次報道了液态金屬焊接納米顆粒效應。在題為《基于液态金屬模闆電化學焊接效應實現薄層導電多孔納米金屬網》(Tang et al., Thin, Porous, and Conductive Networks of Metal Nanoparticles through Electrochemical Welding on a Liquid Metal Template, Advanced Materials Interfaces, 2018: 1800406)的論文中(封面文章)，研究組首次發現，将包裹有金屬納米顆粒的液态金屬小球置于堿性溶液中時，原本分散的顆粒會以自組織方式被連接成納米多孔網狀結構且易于剝離下來（圖1）。究其原因，是在堿性溶液中，液态金屬界面呈還原性，而銅納米顆粒表面由于氧化會形成氧化物；二者在溶液中電化學勢不同，體系于是發生電化學反應，由此造成納米顆粒表面的氧化物被還原，進而導緻新生成的金屬銅将周圍銅顆粒牢牢粘結到一起。這一過程如同經典的金屬焊接一般，因此研究小組将其命名為“液态金屬焊接納米顆粒效應”。

顆粒網狀物具有良好的機械強度，由此可将其從液态金屬表面剝離開來并轉移到其它基底上。通過測量這一類特殊的由金屬顆粒組成的薄膜多孔材料的導電性，發現其與普通金屬導電材料不同：體系中存在一種由電場導緻的電阻降低特性；當電壓過高時，測試電阻會突然增大數個量級，說明過高電壓會導緻顆粒網的導電性失效。深入研究揭示，造成電阻降低的原因在于外加電場下靜電作用會使部分分開的顆粒網連接到一起增加了導電通路；而電阻驟升的原因則是大電流下電遷移作用增強，使得顆粒連接斷開而失去導電能力。以上發現促成了利用液态金屬編織微米厚度多孔導電顆粒網方法的建立，由此獲得的新材料具有良好的機械強度和獨特的電學性能。

此外，在聯合小組發表的另一篇題為《銅離子激發的自生長液态金屬蛇形運動》(Chen et al., Self-Growing and Serpentine Locomotion of Liquid Metal Induced by Copper Ions, ACS Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.8b07649)的論文中，研究組首次發現了一種嶄新的自生長液态金屬蛇形分散效應。在前期研究中，液态金屬自驅動機器、表面Marangoni流動以及周期性自激振蕩效應等現象相繼被發現和解釋。然而，因為液态金屬巨大的表面張力，這些變形行為更多是作為一個整體呈現。此次發現的效應，則是一種不同于以往的大尺度液态金屬離散變形與蛇形運動，革新了人們對液态金屬空間構型轉換方式的認識。

研究表明，在酸性銅鹽溶液中，一團液态金屬可以自發生長出大量細條狀的僞足并像蛇一樣運動（圖2）。此現象背後的機理主要在于，因置換反應所形成的無數個微小的Cu-Ga原電池産生于液态金屬和銅鹽溶液界面處，這會改變液态金屬的表面張力，從而産生不平衡的界面壓差，最終導緻了蛇形運動的發生。這裡，溶液的酸性對實驗結果影響巨大。在合适的酸性條件下，可通過調節酸性的強弱去控制蛇形液态金屬的生成和運動速度。而且，此蛇形運動可被多次激發，大大增加了運動的持久性。研究進一步揭示，酸性銅鹽溶液這一獨特環境保證了無數的銅顆粒可以被持續穩定地析出和吞噬，此類動态平衡是蛇形分散運動現象得以發生的深層次原因。該現象豐富了液态金屬物質世界的科學圖景，進一步拓展了近年來興起的液态金屬柔性機器的理論與技術内涵。

除上述基礎發現外，聯合小組近期還在液态金屬先進應用技術研究方面取得系列新進展，先後針對腫瘤治療用生物醫學新材料（圖3，Wang et al., Advanced Healthcare Materials,2018）、高性能電子墨水（圖4，Chang et al.,Advanced Materials Interfaces, 2018）、可穿戴醫療（圖5，封面文章，Guo et al., Adv. Eng. Mater.,2018）、可拉伸皮膚電子（圖6，Guo et al.,Science China Technological Sciences,2018）以及柔性機器人傳感與控制（圖7，Guo et al., Smart Materials and Structures, 2018）等新興領域的緊迫現實需求發展出系列重要實用技術。

以上研究得到中科院院長基金與前沿科學項目及國家自然科學基金重點項目資助。

圖1. 期刊封面故事及其反映的由液态金屬焊接納米顆粒效應生成的多孔網狀材料

圖2. 自生長型液态金屬分散效應、蛇形運動現象及部分機理解析

圖3. 鎂基液态金屬皮膚塗層材料及其用于近紅外激光消融治療腫瘤原理及應用情況

圖4. 具有良好印刷特性的高性能鎳基液态金屬電子墨水材料

圖5. 期刊封面故事及其反映的用于可穿戴及無線健康監測的液态金屬柔性電子

圖6. 基于褶皺結構的高順應可拉伸液态金屬皮膚電子及其健康監測應用情形

圖7. 用于柔性執行器的液态金屬傳感器及其響應情況

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