理化所提出统一性液态金属组合学理论思想并详解众多功能材料发现之道
发布时间：2023-07-19
室温液态金属是一系列熔点低于或接近环境温度的金属或合金，蕴藏着诸多令人着迷的材料特性，为物理，化学，生物医学，电子制造，半导体，机器人及低碳能源等许多领域的变革提供了重大机遇，作为新一代功能物质及材料，液态金属凭借其卓越的内在无限可拓展性，在基础科学和工程实践中彰显日益重要的地位，特别是近年来液态金属生物材料，可变形机器人，芯片冷却，印刷电子及半导体，3D打印等令人兴奋的应用纷至沓来，引发了世界范围的研究热潮。当前，围绕液态金属及其衍生材料的研发正逐步驶入快车道。随着应用范畴迅速扩大，现有液态金属的局限性也面临严峻挑战，为满足日益增长的需求，亟需在材料种类和功能上寻求突破。
近期，中国科学院理化技术研究所液态金属与低温生物医学研究中心在Advanced Materials发表了一篇题为“通向材料发现的液态金属组合学(Liquid Metal Combinatorics toward Materials Discovery)”的文章，系统提出了旨在发现和研制新一代先进功能材料的通用性液态金属组合学思想及其理论框架。论文第一作者为汪达伟博士和叶姣博士，通讯作者为刘静研究员和饶伟研究员。
在此篇论文中，理化所团队基于过去20余年来在液态金属领域的研究实践和长期沉淀，系统提出了旨在打开材料发现之门的通用性理论框架，并将其命名为“液态金属组合材料学”（LMC，图1），相应思想涵盖了液态金属几乎所有可能的组合模式及材料创制策略，未来可由此按需设计出种类丰富且功能千变万化的新型材料。这一基本要义的出发点在于充分借助液态金属主体，表面化学物质，离子作用与更多其他物质之间的深度物理，化学 ，生物，协同等效应，实现目标材料，整个制备过程可在室温附近完成。LMC代表了无限可拓展性，可靠性及模块化的通用材料创新方法，为新材料的发现提供了统一理论基础。
原理上，液态金属组合材料学代表了以液相金属（L）为核心的材料（M）组合（C）方式（L-M-C）（图2），其基本思想在于充分借助室温液态金属的物理，化学，生物连接，（图3），快速实现丰富多样的材料集成（Li Mj），这里 （Li Mj）(图1)。从这种意义上讲，液态金属组合学也从侧面印证了中国古代哲学之集大成者-老子《道德经》中所阐述的“道生一，一生二，二生三，三生万物”的宇宙生成论，包含了丰富的科学哲学思想。
为说明液态金属组合学方法论及其应用特点，文章归纳出了8条基本的材料创制途径： 1.多组分合金化LMCs；2.微/纳米液体金属填料的LMCs（图4）3.结构化LMCs（图5）；表面修饰化LMCs（图6）；5.多孔化LMCs（图7）6.基于微/纳米液体金属填料的LMCs（图8）7.低维化LMCs（图9）；8.多模式液态金属组合学。基于这些策略，可从无定形液态金属中快速设计和制造出大量“有形”的功能材料，其不仅保留了 液态金属的典型特征，还新增赋予许多鲜明的可调谐性，如优异的热/电导率，丰富的电化学及生物医学特性，协同性乃至多模式行为等。以室温液态金属作为组合材料的“道”无形中孕育有型，引入了几乎所有的物象和结构如液相，气相，固相或其组合，构件材料的基本单元，则从微观到宏观均不受限，这些广义特点预示着液态金属组合学蕴藏着无尽的材料发现机会。
自本世纪初以来，理化所团队围绕液态金属开展了大量基础探测和应用实践，先后提出了一系列底层材料创制思想，如液态金属材料基因组方法，旨在强调液态金属热，电，磁，力性能的纳米液态金属材料学，用以改变如硅胶，聚合物等属性的液态金属添加物技术，以及自我驱动型液态金属机器，彩色液态荧光金属，类似生物肺组织的多孔液态金属，液态导体-绝缘体转换材料，液态金属气泡\囊泡乃至密度低于水可上下浮沉的轻量化液态金属材料等。具有通用意义的液态金属组合学思想正是在这些长期实践基础上提出的。在应用层面，理化所团队推出的系列性能优良的LMC材料已在芯片冷却与热管理，电子电路制造，半导体印刷，柔性医学传感以及临床骨科支具与骨修复等环节实现市场化。
总的来说，液态金属组合学统一了各种新材料的创制策略，相应思想及理论框架具有普遍意义及广泛可拓展性，在这一基本理念的指导下，可望迎来大量新材料的研发和问世，由此满足日益增长的紧迫现实需求。
图1“液态金属组合学”（LMC）同一性理论框架。Li Mj
的内涵代表了液态金属（Li）与匹配材料（Mj）衍生出丰富多彩，功能多样的材料组合(
).
图2液态金属组合学内涵。（a）LMC概念具有普遍适用性，各种液态金属与对应负载材料的可能组成为大量材料的合成提供了广阔空间。（b）尺度同样具广义性，涵盖从宏观到微观/纳米尺度通过精心设计的各种形式的液态金属组合。（c）结构也不受限制，可根据需要进行设计和加工，包含从固体，中空，多孔，壳芯，层状，均匀，Janus膜，微/纳米到三维空间结构。
图3液态金属与其他材料之间的化学，物理，生物学组合。由于具备独特的低熔点优势，液态金属或其经轻微改性的金属可以通过（i）物理，（ii）化学。（iii）生物方式与自然界中几乎所有种类物质相容结合。
图4微/纳米材料介导的LMCs制备方法。（a）改善颗粒内部化的氧化机制。（b）颗粒通过吞噬作用实现内化。性能调控方面，包括（c）降低过冷效应；（d）增强热导率/电导率；（e）可调节流变学特性；(f)外场控制。
图5.结构化LMCs。（a）液态金属可用作不同规模和尺寸的焊接材料。（b）液态金属涂敷型结构化材料。（c）基于液态金属的增材制造结构材料。
图6.表面修饰型LMCs材料。（a）表面形成氧化层（i）成分和结构效应；（ii）流变特性；（iii）形状变换；(iv)刺激反应。（b）彩色LMC的表面工程学；（i）伪彩色（ii）结构颜色（iii）荧光。（c）功能性LMC表面改性：（i）微/纳米颗粒辅助表面改性；（ii）基于化学，天然和生物化合物的表面改性；（iii）基于电化学置换的表面改性。
图7多孔化LMCs材料。(a)物理方法：（i）直接填充气泡或液体；（ii）与充气微球混合；（iii）牺牲模板法。（b）化学策略;(i)用水，酸或碱进行置换反应以产生天然气；（ii）分解化合物以释放气体；（iii）去合金化以形成空隙。
图8.以微/纳米金属作为添加物和填料的LMCs材料制备方法。(a)将液态金属加载于弹性体中，结构由预制模板决定。（b）通过压力，附着力，范德华力和毛细管效应填充液态金属微通道。（c）将液态金属与基质机械混合，以生成均匀的液态金属嵌入弹性体。
图9.低维化LMCs材料。基于（a）成分，（b）结构和（c）形态的低维液态金属组合材料学分类。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202303533