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液態金屬科技與工業的崛起:進展與機遇

液態金屬科技與工業的崛起:進展與機遇

  • 分類:前沿研究
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-12-02
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【概要描述】常溫液態金屬及其衍生材料是近年來異軍突起的新興功能物質,該領域取得了一系列突破性發現,催生出諸多全新的材料創制與應用,被視為人類利用金屬的第二次革命。本文扼要介紹了液態金屬物質科學領域涌現出的若干典型進展、基礎問題與工業應用范例,剖析現象背后的科學規律,具體包括:芯片冷卻與能源利用、印刷電子學與增材制造(3D打?。?、生物材料學、柔性智能機器學。

液態金屬科技與工業的崛起:進展與機遇

【概要描述】常溫液態金屬及其衍生材料是近年來異軍突起的新興功能物質,該領域取得了一系列突破性發現,催生出諸多全新的材料創制與應用,被視為人類利用金屬的第二次革命。本文扼要介紹了液態金屬物質科學領域涌現出的若干典型進展、基礎問題與工業應用范例,剖析現象背后的科學規律,具體包括:芯片冷卻與能源利用、印刷電子學與增材制造(3D打?。?、生物材料學、柔性智能機器學。

  • 分類:前沿研究
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-12-02
詳情
來源:中國工程科學2020年 第22卷 第5期    
作者:劉靜
摘要:常溫液態金屬及其衍生材料是近年來異軍突起的新興功能物質,該領域取得了一系列突破性發現,催生出諸多全新的材料創制與應用,被視為人類利用金屬的第二次革命。本文扼要介紹了液態金屬物質科學領域涌現出的若干典型進展、基礎問題與工業應用范例,剖析現象背后的科學規律,具體包括:芯片冷卻與能源利用、印刷電子學與增材制造(3D打?。?、生物材料學、柔性智能機器學。在此基礎上,論述了提出“液態金屬谷”的時代背景、發展液態金屬新工業體系的基本途徑,闡述了推進液態金屬材料基因工程研究并構建相應數據庫的重要意義。液態金屬作為兼具基礎探索與實際應用價值的重大科學、技術與工業前沿,發展前景廣闊;相應研究有望促進人類物質文明進步、優化社會生產和生活方式,也將深刻影響中國乃至世界尋求新一代變革性科技與工業的進程。
關鍵詞:液態金屬;新材料;顛覆性技術;新工業;先進冷卻;印刷電子;生物醫學材料;柔性機器人
 
一、常溫液態金屬物質科學的興起
 
人們對液態金屬的第一印象,大多來自科幻影片《終結者》,無所不能的機器人正由液態金屬制成。當前,隨著科學研究的深入和發展,大量液態金屬技術以及由此制成的先進裝備正在成為現實。在很大程度上可以認為,液態金屬就是介乎機器與人之間的尖端功能材料,蘊藏著豐富的科學、技術與應用問題?,F實中的常溫液態金屬是一大類物理化學行為十分獨特的新興功能物質,典型類型有鎵基合金、鉍基合金及其衍生材料;具有諸多新奇特性,為新興科學與技術前沿提供了重要啟示和豐富的研究空間。近年來,得益于國內外學者特別是中國研究團隊在基礎探索與工業化實踐方面的開創性工作,液態金屬物質科學已從最初的冷門發展成為備受國際關注的重大科技前沿熱點,影響范圍甚廣。
2011年諾貝爾化學獎得主、以色列理工學院教授DanShechtman曾指出:今天技術的最大限制,主要來自材料的限制。液態金屬及其衍生材料的出現,打通了許多應用技術的瓶頸環節,促成了眾多顛覆傳統的產業應用。自21世紀初起,中國研究團隊在這一重大科技領域發揮了系統性、開創性作用,揭示了液態金屬諸多全新科學現象、基礎效應和變革性應用途徑;促成了一系列高新技術產業的形成,提出并推動了“液態金屬谷”和液態金屬全新工業的創立與發展。近年來,國際上一些科研機構也相繼啟動液態金屬探索,取得可喜進展。液態金屬研究與應用漸入佳境,反映了一個重要科技和產業領域的形成和演進態勢。本文旨在對液態金屬的基礎問題和典型進展予以剖析,闡述這一重要前沿在催生突破性科學與產業方面的價值,重點包括電子信息、能源、先進制造、柔性機器人、生物醫療等領域;論述液態金屬物質科學在開辟全新工業方面的角色和作用,闡述建設“液態金屬谷”以及產業集群的前期實踐情況,探討面臨的重大發展機遇,以期為我國新材料產業發展提供前沿參照。
 
二、經典的液態金屬材料及其屬性
 
顧名思義,液態金屬指在室溫附近或更高一些的常溫下呈液態的金屬,又稱低熔點金屬。典型的有鎵基、鉍基金屬及其合金,因其安全無毒、性能卓越,正成為異軍突起的革命性材料;其他如汞、銫、鈉鉀合金等,雖在常溫下也處于液態,但具有毒性、放射性或危險性,在應用上受到很大限制。與低熔點金屬形成對比的是,在高溫(如600~700℃)條件下才能呈現液態的金屬或其合金,稱為高熔點金屬,作為經典冶金材料內容已被廣泛研究。相較而言,在世界范圍內,很長一段時間常溫液態金屬被忽視了。而近年來取得的顛覆性發現和技術突破,更多體現在揭示常溫液態金屬的基礎科學現象與重大應用途徑方面。液態金屬在常溫下可流動、導電性強、熱學特性優異、易于實現固液轉換,因沸點高(溫度高達2300℃時仍處于液相)而不會像水那樣沸騰乃至爆炸;可以說僅用單項材料就將諸多尖端功能材料的優勢集于一體,有望突破許多傳統技術的應用瓶頸,據此打開極為廣闊的產業應用空間。通??晒┲苯邮褂玫某匾簯B金屬種類比較有限。自然界中常溫下呈液態的純金屬主要有汞、鎵、銫,熔點分別為−38.87℃、29.8℃、28.65℃。鑒于液態純金屬種類稀少,一般在實際中使用的是液態合金材料,需具備以下特點:①物理化學性能優良,如高熱導率、電導率、低粘度等;②環境友好、無毒無害、非易燃易爆、易于回收利用,具有較低的蒸汽壓和揮發性;③成本宜盡可能低。也因如此,阻礙液態金屬快速發展和應用的瓶頸之一就是缺乏足夠多的可選材料以及對相應材料屬性的認識。為改變這種現狀,國內研究團隊提出了液態金屬材料基因組計劃,旨在發現新的液態金屬功能材料,進而解決材料種類短缺的問題。探索和發現更多的液態金屬復合材料以滿足日益增長的實際需求,這是領域研究的持續方向。
 
三、液態金屬新材料創制
 
(一)基于外來物強化或改性的液態金屬材料
在液態金屬新材料創制方面,除采用合金化配制途徑之外,還可借助材料之間的相容性來獲得更多新材料。實驗發現,金屬液滴可在溶液環境中借助電場或化學物質的激勵作用將周圍顆粒吞入體內(見圖1),類似細胞生物學的胞吞效應,效率極高。這一發現開辟了構筑高性能液態金屬材料的快捷途徑,可根據需要制成物理化學性質各異的物質(如電學、磁學、熱學、力學性能可調的液態金屬),甚至研發一系列物態介于液體和固體之間的金屬復合物。除了引入外來物實現功能材料外,液態金屬同樣可用作添加物對其他材料予以改性。液態金屬添加物概念提出后,據此發展出了高導熱、電絕緣液態金屬材料(見圖2),將導熱、絕緣兩個原本矛盾的屬性集成到一起,這實際上成為后續研發液態金屬復合材料的開端。
(二)多孔液態金屬材料
雖然迄今已有的液態金屬大多呈連續介質形式,但是液態金屬也可制成多孔物質,由此實現更多奇特功能和行為。研究發現,在液態金屬(如鎵銦合金)內加載鐵納米顆粒并引入化學反應機制(見圖3),可快速制造出具有良好導電性和磁性的柔性多孔金屬材料;這種材料的孔徑大小可靈活調控,經受加熱時能夠多次重復膨脹(在極限情況下可達7倍),膨脹后的多孔金屬甚至可攜帶重物漂浮于水面。此類材料系首次在自然界被創造出來,所發現的機理將液態金屬智能材料與裝備的研發推向新的高度。例如,有關特性可用于制造水下變形機器、柔性機械臂、外骨骼、柔性智能機器人等。
(三)液態金屬基導體–絕緣體轉變材料
高導熱且電絕緣,這種看似矛盾的性質還可借助彼此加以調控,進而制成導電絕緣體轉變(CIT)材料。有研究發現基于液態金屬制備寬溫區可調CIT材料的通用策略,關鍵在于利用復合材料內部物質間的相互配合來實現材料的導電絕緣轉變功能。典型案例之一是將具有反常體積膨脹率的液態金屬與流動性良好的二甲基硅油結合,構造出液態CIT材料。由此基本原理出發,可借助不同熔點的液態金屬與協同材料,發展出更多寬溫區工作的液態CIT材料體系。液態CIT材料依據復合材料內部物質間的相互配合機制,由液態金屬液滴和溶劑混合而成(見圖4)。當溫度較高時,液態金屬為液態并被溶劑分隔開,此時復合材料表現為絕緣態;當溫度降低時,金屬液滴發生凝固,液態CIT材料變為導電態;隨著溫度的改變,液態CIT材料的導電率可相差9個數量級,這個過程完全可逆且理論上可以重復無限次。液態CIT材料的轉變溫度僅取決于金屬液滴的相變點,因此可找到一系列具有不同相變點的液態合金(如鎵基、鉍基合金)以獲得不同的轉變點溫度。
(四)輕量化液態金屬材料
常規的液態金屬通常密度很高,這會導致制成器件與裝備的質量較大,使得能量耗費過多、應用靈活性降低?;谳p質液態金屬的基本思想,以共晶鎵銦合金及中空玻璃微珠為代表,可制備出密度僅為水的一半、可漂浮于水面的液態金屬復合材料(見圖5)。這種材料保留了純液態金屬的導電性、導熱性、力學強度、固液相變等特性,還具有可塑性、可變形性乃至磁性等特征;據此設計各種平面與三維應用場景,如水面電路、水中機器人,還可引入不同封裝來實現對材料漂浮行為的調控。輕質液態金屬物質概念具有基礎科學意義和普適應用價值,開創了制造新型液態金屬功能材料的新途徑。結合各類液態金屬與對應的輕質改性物質(如塑料、木材、輕金屬以及磁性、光學材料、多孔物質等),可賦予終端材料更多的目標功能;能以一種材料形式同時將多類尖端材料的功能(如電、磁、聲、光、熱、力學、流體、化學等)集于一體,這是已有材料體系不易具備的性能,在許多應用場合十分有用。
 
四、液態金屬材料前沿應用
 
發展至今,液態金屬的應用已滲透到諸多自然科學與工程技術領域,正在定義和創造新的未來。以下從四方面闡述液態金屬衍生出的典型科技與應用方向。
(一)液態金屬先進熱控與能源技術
隨著微納電子技術的應用與發展,高集成度芯片、器件與系統引發的熱障問題成為制約各種高端應用的普遍性難題,突破散熱瓶頸被提高到前所未有的層面。21世紀初,在芯片冷卻領域引入了低熔點合金流體散熱技術,這一途徑成為近年來的國際前沿研究熱點,且成為芯片冷卻領域中較具發展前景的新興產業方向。
經過近20年的發展,常溫液態金屬冷卻領域已建立了相對完備的理論與應用技術體系,主要涉及:液態金屬強化傳熱、相變與流動理論,電磁、熱電或虹吸驅動式冷卻與熱量捕獲,微通道液態金屬散熱,刀片散熱,混合流體散熱,無水換熱器,低熔點金屬固液相變吸熱,高導熱納米金屬流體及熱界面材料等。液態金屬除了在高功率密度電子芯片、光電器件、國防裝備極端散熱等方面有著重要應用價值外,正在逐步拓展到消費電子、低品位熱能利用、光伏發電、能量儲存、智能電網、高性能電池、發動機冷卻、熱電轉換等領域。新技術打破了傳統模式,一批成果已規?;瘧糜诠I和商業領域(見圖6):臺式計算機用液態金屬散熱器,液態金屬熱界面材料,相變散熱模塊,液態金屬冷卻大功率高架燈及發光二極管(LED)路燈,筆記本電腦用超薄型液態金屬散熱器,高性能服務器冷卻用液態金屬散熱器等。
 
液態金屬芯片冷卻方法自提出以來,持續引發業界關注,有關研究曾獲國際電子封裝領域代表刊物ASMEJournalofElectronicPackaging2010—2011年度唯一最佳論文獎,還獲得了包括中國國際工業博覽會創新獎在內的多個產業獎項。
(二)液態金屬印刷電子與3D打印
傳統電子制造工藝繁多,涉及從基底材料制備到形成互連所需的薄膜沉積、刻蝕、封裝等環節,消耗了大量的原料、水、氣和能源。為改變這一現狀,我國學者首次提出了液態金屬印刷電子學、室溫金屬3D打印等創新思想,建立了相應的理論與技術體系,研制了系列化的新型設備(見圖7);通過印刷方式在各種柔性、剛性基材甚至人體皮膚上直接制造出目標電路、元器件、集成電路和終端功能器件(見圖8)。相應突破被視為有望改變傳統電子和集成電路的制造規則,“所見即所得”的電子直寫模式將加速普惠型個性化電子制造時代的到來。
液態金屬印刷電子學與室溫3D金屬打印方法的建立,使得個性化功能器件的快速制造成為可能,降低了高端制造的門檻,有望普及推廣到大眾百姓。正因如此,相關發明和研制裝備獲得國內外科技界的高度認可,技術成果得到TechnologyReview、IEEESpectrum、ChemistryWorld等科學雜志的專題評介,入圍了2015年中國十大科技進展新聞。
(三)液態金屬生物醫學與健康技術
在生物醫學與健康技術領域,獨特的液態金屬帶來了觀念性變革。中國研究團隊率先將液態金屬用于解決一系列重大生物醫學難題與瓶頸,系統地提出并構建了液態金屬生物醫學材料學新領域,研究成果引發國際性反響。其中,液態金屬神經連接與修復調控技術因其獨創性而被視為“令人震驚的醫學突破”,由此衍生出了系列化的神經調控技術;Wang等創建的液態金屬高分辨血管造影術(見圖9),采用相對簡單的方法解決了極為復雜的問題,且揭示細節足夠豐富。
此外,液態金屬栓塞血管治療腫瘤技術、堿計算機CPU液態金屬散熱器液態金屬熱界面材料LED路燈封裝高架燈液態金屬冷卻系統液態金屬固液相變冷卻器筆記本電腦液態金屬散熱器服務器液態金屬散熱系統金屬流體熱化學消融治療腫瘤法、注射式低熔點金屬骨水泥、剛柔相濟型液態金屬外骨骼、印刷式液態金屬柔性防輻射技術、植入式醫療電子在體3D打印與注射電子,液態金屬皮膚光熱轉換與電磁學(見圖10)、液態金屬醫學傳感技術等,也因嶄新學術理念和技術突破性而引起多方重視。
(四)液態金屬柔性智能機器
設計一種能以可控方式在不同形態之間自由轉換的柔性機器,用于代替人類執行更為特殊、更為復雜的任務,這是世界科學界和工程界的夢想。例如,在抗震救災或特殊行動中,此類機器人可根據需要適時變形、穿過狹小空間、重新恢復原形以繼續執行任務。學術界普遍認為,軟體機器人技術一旦突破,必將顯著影響高端制造、醫療康復、國防裝備等領域。相關研發活動如火如荼,2017年美國國家自然科學基金會支持的軟體機器人項目經費達到2600萬美元。
從構建全新體系的理念出發,中國研究團隊開創性提出了不同于傳統的液態金屬軟體機器人技術路徑,在材料、器件、系統等方面逐步形成相應理論與技術體系。其中的標志性進展之一是首次揭示了電場調控下液態金屬呈現出的一系列大尺度變形、旋轉、定向運動以及合并、斷裂–再合并行為(見圖11),這成為后續研究液態金屬可變形機器人的開端。進一步發現了一種異常獨特的現象和機制,即液態金屬可通過吞噬微量鋁形成自驅動全柔性機器,速度達厘米每秒級、運行時間可達數小時(見圖11),實現了無需外部電力的自主運動。這種自驅動液態金屬組成的微馬達群可在電場中形成高速的協同運動。以上發現為研制實用化的智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為復雜的液態金屬機器人奠定了重要理論基礎。結合液態金屬與剛性材料,還可實現固液組合機器。采用電控可變形旋轉的“液態金屬車輪”,可驅動3D打印的微型車輛,實現行進、加速以及更多復雜運動。研究還發現了液態金屬可在石墨表面以任意形狀穩定呈現的自由塑形能力,由此可實現液態金屬逆重力攀爬。若將液態機器單元予以分組編程,將建立起可控型柔性智能機器人的可行技術途徑(見圖12),這將改變傳統機器人的技術形態。整體來看,液態金屬衍生出了全新的可變形機器概念,將顯著提速柔性智能機器的研制進程。鑒于這些發現的突破性,相應成果在國際上引發較大反響,先后得到Nature、NatureMaterials、ScienceNews、NewScientist、ChemistryWorld等的評介,且液態金屬機器人被列為機器人領域最具發展潛力的十大方向之一。
五、液態金屬新工業的崛起
 
(一)“液態金屬谷”與新工業的醞釀發展
液態金屬是有著重大工業應用價值的新興科技前沿材料,打破了傳統技術的諸多極限,促成了新工業體系的形成和發展。2008年前后,國內優勢研究機構提出了在北京市中關村地區創建中國“液態金屬谷”的構想,但推進時機和條件尚不成熟。數年后這一構想在云南省得到實質性推動。
2013年,中國科學院理化技術研究所實施技術轉化的液態金屬熱界面材料、電子手寫筆等項目落地云南省宣威市,啟動了產業化進程。
2014年,作為云南省“科技入滇”重點項目,液態金屬產品在業界產生了重要影響。結合云南省有色金屬資源優勢,建設中國“液態金屬谷”的構想進一步清晰具體。實施產業化的項目公司率先建成了液態金屬原材料及產品生產線,年產量為200t;面向市場需求推出了液態金屬導熱片、液態金屬導熱膏、液態金屬電子手寫筆、液態金屬三維手寫筆等產品。為推動液態金屬新產業的可持續發展,在地方政府和有關企業的支持下,結合多方資源成立了云南科威液態金屬谷研發中心。
2015年,首屆液態金屬產業技術發展高峰論壇在云南省宣威市舉辦,會議明確提出將宣威市作為中國“液態金屬谷”所在地;液態金屬科技館也正式對外開放。廣東省、北京市等地的液態金屬相關企業逐步開始入駐或接洽合作。
2016年,實施液態金屬產業化的項目公司數量進一步增加。為更好保障液態金屬產業發展,省級“五中心一委員會”獲批成立:云南省液態金屬企業重點實驗室、云南省科學技術院科威中宣液態金屬研發中心、云南省液態金屬制備工程研究中心、云南省液態金屬企業技術中心、云南省液態金屬產品質量監督檢驗中心。
2017年,“液態金屬谷”建設成果入選云南省十大科技進展,被譽為揭開了液態金屬前沿技術的神秘面紗。至此,中國“液態金屬谷”的構想和倡議從理想變為現實。
(二)液態金屬產業與研發行動
2016年,液態金屬產業列入云南省“十三五”科技發展規劃、云南省“十三五”新材料發展規劃。以此為依托,2017年1月液態金屬列入國家《新材料產業發展指南》中的產業重點扶持方向;2017年6月液態金屬列入《重點新材料首批次應用示范指導目錄》。2018年5月,由多家產業主體共同發起成立的液態金屬產業科技聯合體進入中國科學技術協會“產學研融合技術創新服務體系建設項目”名單,標志著我國在推動新興液態金屬產業方面形成共識。
2018年,云南省啟動實施了“稀貴金屬材料基因工程”科技項目,圍繞“創新平臺–人才團隊–項目統籌、基礎研究–關鍵技術研發–工程化應用”開展產業鏈布局,以推動稀貴金屬材料跨越式發展、促成新材料重大應用和示范。液態金屬作為科技項目的三大板塊之一,在數據庫構建、材料新品研發等方面得到顯著加強;借助相圖計算、第一性原理、分子動力學等高通量計算和大數據工具,結合高通量實驗手段來實現新材料創造。推進科技項目研究,有效緩解液態金屬材料種類短缺的現實問題。
 
六、液態金屬產業發展建議
 
當前,液態金屬研發與應用逐漸駛入快車道。在液態金屬產業化發展的過程中,“產學研”結合較為緊密,體現了首都的科技研發優勢、云南等地的區域資源/地緣優勢以及兩方面的良好對接,液態金屬的產業應用得以在全國乃至世界范圍內得到認同。即便如此,相比國際上液態金屬研發的熱烈態勢,國內進入這一新興領域的研發團隊和企業還未形成足夠體量,依然有不少機構處于觀望態度。這可能是因為,限于傳統的技術跟蹤模仿慣性導致不愿意開拓新工業應用方向,即便對于液態金屬這個在開創性基礎發現、應用研究乃至產業推進、工業化驗證諸方面均處于世界領先地位的戰略性高新科技領域,國內機構和研究團隊依然持保守認識。為此,針對我國液態金屬產業提出以下發展建議。
(1)科技支撐對產業可持續健康發展不可或缺。
宜準確把握歷史性機遇,在“人、財、物”和產業政策等方面給予進一步支持,打造世界級的液態金屬科學與應用中心;著力完善相應工業應用技術體系,以示范應用帶動產業鏈發展。
(2)在規?;a業市場培育方面,圍繞“液態金屬谷”及相應產業,適時設立國家和地方性的產業基金與扶持政策;加快液態金屬產業集群部署,推進各有關制造業轉型升級和跨越式發展;引導液態金屬新產品推廣應用,保持前沿技術研發、新產品試錯及新興市場融合乃至形成良性互動。
(3)液態金屬為諸多前沿科技的變革性發展創造了重大機遇,帶動性極強。宜在宏觀研究層面開展系列化的軟課題和戰略研究,科學預測這一新興材料對于能源、電子信息、先進制造、國防裝備、柔性智能機器人、生物醫療健康等領域的關鍵作用,推動國家前沿科技進展,促進新工業體系發展。

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