中科院理化所用液態(tài)金屬和3D打印制造出微型車輛

近期,，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合清華大學(xué)研究組,，研發(fā)出鍍有磁性功能層的自驅(qū)動液態(tài)金屬機器乃至以液態(tài)金屬為車輪的微型車輛,。除此之外，該研究團隊還首次報道了由液態(tài)金屬驅(qū)動的金屬絲振蕩效應(yīng),、金屬顆粒觸發(fā)型液態(tài)金屬跳躍現(xiàn)象等,。此前，液態(tài)金屬機器均以純液態(tài)方式出現(xiàn),，固液組合機器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破,，使得液態(tài)金屬機器自此有了功能性內(nèi)外骨骼，將提速柔性機器的研制進程。

在《材料化學(xué)學(xué)報B》（Journal of Materials Chemistry B）上的論文Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery（4, 5349, 2016, 封面文章）中,，研究小組通過電鍍方法在液態(tài)金屬表面鑲嵌鐵磁性鎳層,，由此實現(xiàn)了機器在外部磁場或電場作用下的靈活控制（如圖1所示），并驗證了其在藥物遞送方面的潛在價值,。超越于無規(guī)則運動型液態(tài)金屬機器的是,，該磁性固液組合機器可實現(xiàn)運動起停、轉(zhuǎn)向和加速等復(fù)雜行為,。

圖1▲期刊封面故事及鍍有鎳殼的固液組合式磁性液態(tài)金屬機器的可控與自主運動

     進一步地,，研究小組還發(fā)展出一種以柔性可變形“車輪”驅(qū)動的微型車輛，其由金屬液滴及經(jīng)3D打印的塑料本體組合而成,。在電場作用下,，液態(tài)金屬“車輪”可發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，繼而驅(qū)動車輛行進,、加速乃至實現(xiàn)更多復(fù)雜運動（圖2）,。采用類似于四驅(qū)車的結(jié)構(gòu)，研究小組證實其可在攜帶重物0.4 g的情況下以25 mm/s速度運動,。這種固液組裝型柔性機器的設(shè)計概念可衍生出更多復(fù)雜的可控機器結(jié)構(gòu),。相應(yīng)研究發(fā)表在RSC Advances（Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016）上。

圖2▲柔性可變形液態(tài)金屬車輪驅(qū)動的單輪車及四驅(qū)車在電場控制下的運動行為

  在發(fā)表于《先進科學(xué)》（Advanced Science）上的題為Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator（10.1002/advs.201600212,，2016,；封面文章）的論文中，研究小組報道了一種異常獨特的液態(tài)金屬固液組合機器的自激振蕩效應(yīng)：將處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時,，銅絲會被液態(tài)金屬迅速吞入,，并隨后在液態(tài)金屬機體上做長時間往復(fù)穿梭運動，如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般（圖3）,。此外,，用不銹鋼絲觸碰液態(tài)金屬，還可對銅絲的振蕩行為加以調(diào)頻調(diào)幅操控,。造成上述現(xiàn)象的機制主要在于,，鋁與堿溶液反應(yīng)引發(fā)液態(tài)金屬與銅絲兩端出現(xiàn)浸潤力差異所致，這里,，銅絲,、液態(tài)金屬、電解液及氫氣之間多相界面的動態(tài)耦合產(chǎn)生了節(jié)律性牽引力,。這一突破性發(fā)現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的界面科學(xué)認識,，也為柔性智能機器的研制打開了新思路，還可發(fā)展出流體,、電學(xué)、機械、光學(xué)等系統(tǒng)的控制開關(guān),。

圖3▲期刊封面故事及液態(tài)金屬機器驅(qū)動的銅絲浸潤與自激振蕩現(xiàn)象

在發(fā)表于《應(yīng)用物理學(xué)快報》（Applied Physics Letters）上的題為Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles（108, 223901, 2016）的論文中,，作者們發(fā)現(xiàn)了一類有趣的液態(tài)金屬跳躍行為（圖4）：向放有金屬液滴的溶液體系中加入固體金屬顆粒（鎳、鐵等）后,，原本靜止的金屬液滴開始跳動起來,，并在容器底留下一串餅狀“腳印”。研究揭示,，金屬顆粒與液態(tài)金屬表面發(fā)生點接觸時,，交界面處電場強度顯著增強，以至?xí)�在溶液�?nèi)電解產(chǎn)氫,，氫氣泡在基底不斷吸附長大形成“氣體彈簧”,，這就為液滴跳躍提供了推力。導(dǎo)致電場極化的因素之一是來自液態(tài)金屬與固體金屬顆粒之間的電勢差即原電池效應(yīng)（圖5）,；另一原因則在于,，固-液材料界面間微觀形貌差異會導(dǎo)致電荷累積，繼而引發(fā)尖端放電效應(yīng),。

圖4▲液態(tài)金屬液滴被鎳粉顆粒觸發(fā)后在NaOH溶液中產(chǎn)生的跳躍行為

圖5▲金屬液滴與固體金屬顆粒發(fā)生點接觸后界面電場出現(xiàn)極化的原理和現(xiàn)象

十多年來,，由理化所研究員劉靜帶領(lǐng)的團隊圍繞液態(tài)金屬開展了大量原創(chuàng)性探索，在芯片冷卻,、先進制造,、電子技術(shù)、生物醫(yī)療及柔性機器等領(lǐng)域取得全面突破,。團隊迄今已發(fā)現(xiàn)30類以上具有重要科學(xué)意義的液態(tài)金屬基礎(chǔ)現(xiàn)象或效應(yīng),，研發(fā)出數(shù)十種實用技術(shù)，在包括北京,、云南,、廣東等地在內(nèi)的全國范圍內(nèi)推動產(chǎn)業(yè)化，先后促成了領(lǐng)先性液態(tài)金屬產(chǎn)品生產(chǎn)線,、研發(fā)中心及科技館的建設(shè)落成,，多種產(chǎn)品進入市場，提出的創(chuàng)建液態(tài)金屬谷乃至發(fā)展液態(tài)金屬全新工業(yè)體系的構(gòu)想也正從理想變成現(xiàn)實,，成果在海內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界產(chǎn)生重大影響,，請關(guān)注南極熊3D打印網(wǎng)。

來源：中科院理化所