Materials Horizons 封面文章报道清华大学多孔液态金属柔性材料新成果

【引言】

众所周知，传统的多孔金属材料如泡沫铝大多为刚体结构，因其拥有低密度、高强度及良好的隔热、吸声等特性，在建筑、化工及航空等领域有着广泛用途，但固体多孔金属材料不具备变形性，其内部孔隙结构一旦形成就不能再改变，这无疑阻碍了它在柔性技术领域的应用。

【成果简介】

近日，清华大学刘静教授研究组联合中国科学院理化技术研究所，在国际期刊Materials Horizons上以封面论文形式发表了题为“PLUS-Material: a Porous Liquid-metal enabled Ubiquitous Soft Material”的学术论文。此项工作基于镓铟合金流体中微/纳尺度颗粒经化学反应产生气体生成多孔结构的机理，发明并研制出一种全新的多功能多孔液态金属柔性材料，这种类似于动物组织肺泡结构的多孔金属软材料，具有良好的导电性和磁性，可以对外界的热刺激做出响应，极限情况下可快速膨胀至原体积的7倍以上，膨胀后的多孔金属甚至可如潜艇一般携带重物漂浮于水面。此类新材料系首次在自然界被创造出来，对于研发新概念型柔性智能器件与装备有重要意义。清华大学医学院2015级博士生汪鸿章及2016级博士生袁博为文章共同第一作者，清华大学医学院教授、中科院理化所研究员刘静及中科院理化所助理研究员王磊为本文共同通讯作者。

图1. 期刊封面故事

研究小组在大量的试验过程中发现，加有铁纳米颗粒的液态金属，在液态环境中会自发产生气体且在内部形成稳定均匀的膏状甚至固态多孔结构（图2），该材料的多孔化及轻量化过程可通过溶液酸碱度与温度加以调控，由此可根据需要制造出各种孔径大小的柔性多孔金属材料。PLUS材料在体积膨胀后可再度迅速恢复成液体状态，通过加热能够多次重复膨胀。这些特性为制造新型水下可变形机器、柔性机械臂、外骨骼以及发展柔性智能机器人技术提供了新的思路。

图2. PLUS材料制备过程及其在水中膨胀漂浮的情形与内部结构

实验表明，PLUS材料具有较好的灵敏，受热时可在几分钟内即迅速膨胀至原体积的数倍。图3展示了该材料轻量化的实验，它能轻易地将水中的重物携带至溶液表面。此外，PLUS材料自身膨胀为膏状物后，若经过氢氧化钠溶液处理并加以烘干后，可得到异常坚硬的多孔金属材料。值得注意的是，用盐酸对固体材料进行处理，可使其重新恢复至液体状态。这种液固转换过程可重复100次以上，说明PLUS-M是一种性能优异的可重复使用的柔性多孔金属材料。 

图3. PLUS材料随温度响应出现快速膨胀继而携带重物上浮的情形及原理

试验与理论分析表明，PLUS材料的成因与原电池反应及氧化物的生成有关。镓铟合金与铁颗粒构成了某种原电池，在电解质溶液中会发生反应生成氢气。加热则加快了氧化过程，生成的氧化镓增加了材料的黏度，可包裹内部不断产生的气体形成多孔结构。由于主要反应物镓是两性金属，该反应在酸、碱溶液中均可发生，大大扩展了新材料的应用范围。PLUS材料具有良好的适形化和优良的导电性能，基于此材料的“自生长” 特性，研究小组还展示了一组可以定时点亮的LED灯的液态开关工作电路。其中，断开的电路中间是一段不规则的管道，在管道一端设置有PLUS材料，该材料在受热时会顺着管道快速膨胀继而顺序触发电路实现逐级连通（图4）。此类材料特性有望用于4D打印电路领域。

图4. PLUS材料膨胀过程中顺序联通LED电路的情形

评审人对本项成果给予了高度评价，指出：“这是里程碑式的工作，将带来极为重要的技术与研究进步”。该研究得到国家自然科学基金委重点项目“液态金属软体柔性感知机器人技术研究”、中国科学院院长基金及前沿项目的资助。

【文献信息】

文献链接：PLUS-Material: a Porous Liquid-metal enabled Ubiquitous Soft Material（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/C7MH00989E , 2018, 5, 222-229）

搜狐视频两分半报道：液态金属多孔新材料 PLUS-Material

本文由清华大学刘静老师课题组提供，特此感谢！

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