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，中國科學院理化技術研究所聯(lián)合清華大學研究組，研發(fā)出鍍有磁性功能層的自驅動液態(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)金屬驅動的金屬絲振蕩效應、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)，固液組合機器效應的發(fā)現(xiàn)和技術突破，使得液態(tài)金屬機器自此有了功能性內外骨骼，將提速柔性機器的研制進程。

在《材料化學學報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、轉向和加速等復雜行為。

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”驅動的微型車輛，其由金屬液滴及經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)生旋轉變形，繼而驅動車輛行進、加速乃至實現(xiàn)更多復雜運動（圖2）。采用類似于四驅車的結構，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計概念可衍生出更多復雜的可控機器結構。相應研究發(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)金屬車輪驅動的單輪車及四驅車在電場控制下的運動行為

  在發(fā)表于《先進科學》（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：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頻調幅操控。造成上述現(xiàn)象的機制主要在于，鋁與堿溶液反應引發(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、機械、光學等系統(tǒng)的控制開關。

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

在發(fā)表于《應用物理學快報》（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，以至會在溶液內電解產氫，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（圖5）；另一原因則在于，固-液材料界面間微觀形貌差異會導致電荷累積，繼而引發(fā)尖端放電效應。

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

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、生物醫(yī)療及柔性機器等領域取得全面突破。團隊迄今已發(fā)現(xiàn)30類以上具有重要科學意義的液態(tài)金屬基礎現(xiàn)象或效應，研發(fā)出數(shù)十種實用技術，在包括北京、云南、廣東等地在內的全國范圍內推動產業(yè)化，先后促成了領先性液態(tài)金屬產品生產線、研發(fā)中心及科技館的建設落成，多種產品進入市場，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)體系的構想也正從理想變成現(xiàn)實，成果在海內外學術界和工業(yè)界產生重大影響，請關注南極熊3D打印網。

來源：中科院理化所