材料“新贵” 刚柔并济

    液态金属：演绎现实版“终结者”？

    顾俊星

   ■名词

    范德瓦尔斯力 一般指分子间作用力。分子间作用力指存在于分子与分子之间或惰性气体原子间的作用力，又称范德华力。

   近日，液态金属传感器或被用于iPhone6的消息令期待已久的“果粉”们为之振奋。那么，到底什么是液态金属？这种金属又有什么特殊之处？

    大家一定记得在《终结者》系列电影中，液体金属人暴虐普通金属机器人的场景吧。随着科学技术的不断发展，现实世界层出不穷的新兴科技使我们越来越有机会接近曾经幻想过的场景。强大的全球网络让“天网”不再是一种幻想，而最近科学家们在液态金属领域的突破，也让液态金属人的诞生距离我们更近了一步。液态金属已应用到现实生活中，它有科幻电影中那么神奇吗？液态金属是终结金属与塑料的新材料吗？

    ——液态实验——

沥青的粘性是水的1000亿倍

目前为止，科学家们把已知的物质世界分为六种存在状态，他们分别是固态、液态、气态、等离子态、超固态、中子态。其中，我们最常见于日常生活中的固态、液态、气态几乎众所周知。每一个普通人日常生活中都能很清楚地分辨出这三种状态。

    然而，有些物质从宏观上很难区分其到底是哪种状态。沥青滴漏是一项长得让人难以相信的物理实验，这项实验最初由托马斯·帕内尔教授实施。1944年7月11日开始，都柏林圣三一大学进行了类似的实验后被证明，平均接近十年才能滴下一滴。直至2013年7月11日，他们第一次拍到了沥青液滴的滴落，从而向世人证明沥青是一种粘性很大的液体。研究人员通过这个实验估计，沥青的粘性大约是水的1000亿倍。根据吉尼斯世界纪录，这项实验是世界上持续时间最久的实验，而漏斗内的沥青仍足够使这个实验再持续几百年。

   随着科技的发展，人们已经能从分子水平上区分三种常见状态之间的差别。处于气态的物质，其构成粒子与粒子之间距离很远，因而容易压缩、自由流动；对于液态物质来说，构成它们的分子彼此已靠得很近，分子一个挨着一个，它的密度要比气态的同种物质大得多，分子之间靠范德瓦尔斯力粘连在一起；对于固态物质来说，组成物质的原子一个挨着一个，组成一个有规律的“点阵”，就像造房子时精密拼接起的砖块，相互契合，牢牢地结合在一起，这就是固体比液体硬的原因。

    需要特别指出的是，在这种分子水平分类方式确定下来后，类似玻璃、沥青这样分子结构杂乱无章，没有确定的结晶状态，但是其宏观流动性非常弱的物质，某种意义上也可以被认为是一种液态物质。

    日常生活中所见的金属，多数为原子结构周期性紧密排列，具有一定晶体结构的固态物质。一般而言，在温度升高后，固态金属会由于分子能量增高、运动剧烈，从而脱离规则的原子站位，成为可以流动的液态。个别金属，比如汞(水银)的熔点非常低，在常温下就可以达到液体状态。

   ——特殊之处——

    兼具可塑性和牢固性

     1991年电影《终结者2》中首次出现了液态金属机器人。阿诺德·施瓦辛格饰演一个从未来回到90年代的机器人T-800，与比他先进的液态金属机器人T-1000展开了一场生死搏斗。

    影片中所谓的更先进的液体金属人，弹孔可以自动愈合，被砍伤的身体也能像水一样通过流动恢复到最初严丝合缝状态中去。此外，电影中的液态金属人还可以根据需要变成各种形态：溶入底板、挥手钢刀、变化样貌。需要时既可以柔若流水，又可以瞬间硬若精钢。在当时看来，这些事物离我们的现实生活遥不可及。“天网”系统、液态金属人、来自未来，掀起了一波科幻热潮。

    事实上，目前我们所说的液态金属还远不是电影中可以随便流动的真“液态”的金属。目前，希望被应用于工业的液态金属是指前面所述分子结构上定义的“液态”，是一种新型金属合金的分类简称。通过把不同原子半径，不同电子结构的金属元素混合成为具有特殊原子结构的合金材料。

   这种合金材料在常温下不像普通固态金属那样具有稳定且有规则的原子排列结构。类似玻璃以及部分有机物那样，它们的原子之间具有不规则的成键特点，或者是靠相对弱的范德瓦尔斯力相互连接，从而易于改变结构，具有了塑料、玻璃相似的可塑性。此外，分子自身的流动也参与热传导过程，把金属的热传导性提高了数个量级。而电子结构却不像玻璃或有机物那样局域在原子周围的能级中。电子在体系中保持了金属的导电能带结构的特性，可以自由地在体系内巡游，从而传导电信号和热信号。因此很多时候称它为“金属玻璃”或者“非晶态合金”。

    ——开发应用——

     下一代微电子领域热门材料

    液态金属以其熔融后塑形能力、高硬度、抗腐蚀、高耐磨等特点，被认为是下一代微电子领域的可选材料。

   “液态金属”这一概念首先被美国加州科技公司提出，并于2010年向苹果独家授权应用其液态金属的技术。该技术还不是非常的成熟，目前还没有合适的制造基础来充分利用其优势。即便如此，相比于其他已用于移动设备的金属、玻璃以及塑料外壳，“液态金属”兼具了塑料的低成本制造、金属的坚固以及玻璃的美观等优势，并且克服了塑料的不够坚固、金属的不易用于复杂形状产品的制造以及玻璃的易碎等缺点。曾有传言称，苹果将在下一代iPhone和Macbook Pro中使用液态金属一体机身。

    国内开发液态金属散热器

    液体状态下的液态金属，由于其中的自由电子和分子共同参与热传导，因而其导热性要远高于一般材料，用来做微电子元器件的散热装置再好不过。

    在液态金属研究方面，我国企业和研究单位也不甘落后。2010年10月26日，“中央企业院校重大科技成果在京转化落地项目签约仪式”上，北京依米康散热技术有限公司与中国科学院理化技术研究所合作成功研制的适合于台式计算机散热的实验室系列样机，被列入了此次重大科技成果在京转化落地项目。

    这一液态金属的应用，和前述合金材料有所不同，应用了熔点非常低的单元素金属材料镓。这种材料类似日常生活中见到的水银，熔点非常低，接近室温的时候很容易产生结构相变，从固相进入液相。在这一过程中，结晶结构中的成键原子会从外界吸收大量能量从而从束缚态转为游离态。电子能带结构却不会有明显变化，电子依然可以自由运动，其热容(吸热能力)比商业上用的最好的散热器件还要高。此外，熔融态的液态金属镓，其沸点高达2000摄氏度，这一性质也避免了其他热管散热器易于沸腾、稳定性不佳的缺点。

    （稿件及图片来源：蝌蚪五线谱）

    ■延伸阅读

    受损金属可自我修复

    据《人民日报》报道，英国航空航天系统公司正在开发能自我修复的战机。该战机使用的纳米材料可立即修复自身因战斗遭受的损坏，让战机得以继续战斗。分析称，这一发明或将改变未来的空战格局。

     2013年8月，号称真实版的“终结者”——“自愈热固性弹性体”的闪耀面世吸引了世人的目光。该聚合物由西班牙科学家开发，是世界上第一个可以自发重建、自我修复的聚合物。而且，该聚合物自我修复后仍然牢固。值得一提的是，开发者成功降低了产品的开发成本，所采用的聚合起始材料成本低廉，开发过程相对简单。

    报道称，真实版“终结者”在工业系统中的实用价值不可忽视，最实际的一个应用在于显著延长汽车、房屋、生物材料以及电器元件的使用寿命，可让消费者节省许多开支。

   美国麻省理工学院的科研人员发现，受损的金属也有可能进行大面积的自我修复。在力学和其他外部条件的作用下，无论单质金属抑或合金都能自我修复。这一科研发明可用于研制更多应用在工业、军事等方面的新式材料，让金属的“再生”机能造福人类。

    金属除了能够快速自我愈合之外，其愈合受损神经组织的能力也开始受到关注。有研究称，金属在人体内可保持人体常温，液态金属能应用于医学手术。这项创新技术未来或可用于修复人类神经组织，造福病人。

    而液态金属技术最初为大家熟知的是，苹果将其用作取卡针，其高硬度、抗腐蚀、高耐磨等性能远超普通金属。HTC、三星、诺基亚等公司亦已经布局液态金属的应用，国内个性化十足的OPPO、Vivo、华为等公司的部分终端已经使用液态金属材质的SIM卡托槽。