近期，中科院理化技術研究所液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學研究中心在Advanced Materials上發(fā)表了一篇題為“通向材料發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬組合學（Liquid Metal Combinatorics toward Materials Discovery）”的文章，系統(tǒng)提出了旨在發(fā)現(xiàn)和研制新一代先進功能材料的通用性液態(tài)金屬組合學思想及其理論框架。論文第一作者為汪達偉博士和葉姣博士，通訊作者為劉靜研究員和饒偉研究員。

室溫液態(tài)金屬是一系列熔點低于或接近環(huán)境溫度的金屬或合金，蘊藏著諸多令人著迷的材料特性，為物理、化學、生物醫(yī)學、電子制造、半導體、機器人及低碳能源等許多領域的變革提供了重大機遇。作為新一代功能物質(zhì)及材料，液態(tài)金屬憑借其卓越的內(nèi)在無限可拓展性，在基礎科學和工程實踐中彰顯日益重要的地位，特別是近年來液態(tài)金屬生物材料、可變形機器人、芯片冷卻、印刷電子及半導體、3D打印等令人興奮的應用紛至沓來，引發(fā)了世界范圍的研究熱潮。當前，圍繞液態(tài)金屬及其衍生材料的研發(fā)正逐步駛入快車道。隨著應用范疇迅速擴大，現(xiàn)有液態(tài)金屬的局限性也面臨嚴峻挑戰(zhàn)。為滿足日益增長的需求，亟需在材料種類和功能上尋求突破。

在此篇論文中，理化所團隊基于過去20余年來在液態(tài)金屬領域的研究實踐和長期積淀，系統(tǒng)提出了旨在打開材料發(fā)現(xiàn)之門的通用性理論框架，并將其命名為 “液態(tài)金屬組合材料學”（LMC，圖1），相應思想涵蓋了液態(tài)金屬幾乎所有可能的組合模式及材料創(chuàng)制策略，未來可由此按需設計出種類豐富且功能千變?nèi)f化的新型材料。這一基本要義的出發(fā)點在于充分借助液態(tài)金屬主體、表面化學物質(zhì)、離子作用與更多其它物質(zhì)之間的深度物理結合、化學、生物協(xié)同等效應，實現(xiàn)目標材料，整個制備過程可在室溫附近完成。LMC代表了無限可拓展性、可靠性及模塊化的通用材料創(chuàng)新方法，為新材料的發(fā)現(xiàn)提供了統(tǒng)一理論基礎。

圖1. "液態(tài)金屬組合材料學"（LMC）統(tǒng)一性理論框架。 L i M j 的內(nèi)涵代表了液態(tài)金屬（ L i ）與匹配材料（ M j  ）衍生出豐富多彩、功能多樣的材料組合（）。

原理上，液態(tài)金屬組合材料學代表了以液相金屬（L）為核心的材料（M）組合（C）方式 (L-M-C)（圖2），其基本思想在于充分借助室溫液態(tài)金屬的物理、化學、生物連接（圖3），快速實現(xiàn)豐富多樣的材料集成（ L i M j 。這里， L i M j 內(nèi)涵指的是液態(tài)金屬（ L i ）可與幾乎所有現(xiàn)存的其它材料（M j  ）發(fā)生相互協(xié)同作用繼而衍生出千變?nèi)f化的材料組合（）（圖1）。從這種意義上講，液態(tài)金屬組合學也從側面印證了中國古代哲學之集大成者-老子《道德經(jīng)》中所闡述的“道生一，一生二，二生三，三生萬物”的宇宙生成論，包含了豐富的科學哲學思想。

圖2. 液態(tài)金屬組合材料學內(nèi)涵。（a）LMC概念具有普遍適用性，各種液態(tài)金屬與對應負載材料的可能組合為大量材料的合成提供了廣闊空間。（b）尺度同樣具廣義性，涵蓋從宏觀到微觀/納米尺度通過精心設計的各種形式的液態(tài)金屬組合。（c）結構也不受限制，可根據(jù)需要進行設計和加工，包含從固體、中空、多孔、殼芯、層狀、均勻、Janus膜、微/納米到三維空間結構。

圖3. 液態(tài)金屬與其它材料之間的化學、物理和生物學組合。由于具備獨特的低熔點優(yōu)勢，液態(tài)金屬或其經(jīng)輕微改性的金屬可以通過（i）物理、（ii）化學及（iii）生物方式與自然界中幾乎所有種類物質(zhì)相容結合。

為說明液態(tài)金屬組合學方法論及其應用特點，文章歸納出了8條基本的材料創(chuàng)制途徑：①多組分合金化LMCs；②微/納米材料介導型LM C s （圖4）；③結構化LM C s （圖5）；④表面修飾化LM C s （圖6）；⑤多孔化LM C s （圖7）；⑥基于微/納米液體金屬填料的LM C s （圖8）；⑦低維化LM C s （圖9）；⑧多模式液態(tài)金屬組合學。基于這些策略，可從無定形液態(tài)金屬中快速設計和制造出大量“有形”的功能材料，其不僅保留了液態(tài)金屬的典型特征，還新增賦予許多鮮明的可調(diào)諧性，如優(yōu)異的熱/電導率、豐富的電化學及生物醫(yī)學特性、協(xié)同性乃至多模式行為等。以室溫液態(tài)金屬作為組合材料的“道”，無形中孕育有形，引入了幾乎所有的物象和結構如液相、固相、氣相或其組合，構建材料的基本單元則從微觀到宏觀均不受限，這些廣義特點預示著液態(tài)金屬組合學蘊藏著無盡的材料發(fā)現(xiàn)機會。

圖4. 微/納米材料介導的LM C s 制備方法。（a）改善顆粒內(nèi)部化的氧化機制。（b） 顆粒通過吞噬作用實現(xiàn)內(nèi)化。性能調(diào)控方面，包括（c）降低過冷效應；（d）增強熱導率/電導率；（e）可調(diào)節(jié)流變學特性；（f）外場控制。

圖5. 結構化LM C s 。（a）液態(tài)金屬可用作不同規(guī)模和尺寸的焊接材料。（b）液態(tài)金屬涂敷型結構化材料。（c）基于液態(tài)金屬的增材制造結構材料。

圖6. 表面修飾型LM C s 材料。（a）表面形成氧化層：（i）成分和結構效應；（ii）流變特性；（iii）形狀變換；（iv）刺激反應。（b）彩色LMC的表面工程學：（i）偽彩色；（ii）結構顏色；（iii）熒光。（c）功能性LMC表面改性：（i）微/納米顆粒輔助表面改性；（ii）基于化學、天然和生物化合物的表面改性；（iii）基于電化學置換的表面改性。

圖7. 多孔化LM C s 材料。（a）物理方法：（i）直接填充氣泡或液體；（ii）與充氣微球混合；（iii）犧牲模板法。（b）化學策略：（i）用水、酸或堿進行置換反應以產(chǎn)生天然氣；（ii）分解化合物以釋放氣體；（iii）去合金化以形成空隙。
圖8. 以微/納米液體金屬作為添加物和填料的LM C s 材料制備方法。（a）將液態(tài)金屬加載于彈性體中，結構由預制模板決定。（b）通過壓力、附著力、范德華力和毛細管效應填充液態(tài)金屬微通道。（c）將液態(tài)金屬與基質(zhì)機械混合，以生成均勻的液態(tài)金屬嵌入彈性體。

圖9. 低維化LMCs材料。基于（a）成分、（b）結構和（c）形態(tài)的低維液態(tài)金屬組合材料學分類。

自本世紀初以來，理化所團隊圍繞液態(tài)金屬開展了大量基礎探索和應用實踐，先后提出了一系列底層材料創(chuàng)制思想，如液態(tài)金屬材料基因組方法、旨在強化液態(tài)金屬熱、電、磁、力性能的納米液態(tài)金屬材料學，用以改變?nèi)绻栌汀⒕酆衔锏葘傩缘囊簯B(tài)金屬添加物技術，以及自我驅(qū)動型液態(tài)金屬機器、彩色熒光液態(tài)金屬、類似生物肺組織的多孔液態(tài)金屬、液態(tài)導體-絕緣體轉(zhuǎn)換材料、液態(tài)金屬氣泡/囊泡，乃至密度低于水可上下浮沉的輕量化液態(tài)金屬材料等。具有通用意義的液態(tài)金屬組合學思想正是在這些長期實踐基礎上提出的。在應用層面，理化所團隊推出的系列性能優(yōu)良的LMC材料已在芯片冷卻與熱管理、電子電路制造、半導體印刷、柔性醫(yī)學傳感以及臨床骨科支具與骨修復等環(huán)節(jié)實現(xiàn)市場化。

總的來說，液態(tài)金屬組合學統(tǒng)一了各種新材料的創(chuàng)制策略，相應思想及理論框架具有普遍意義及廣泛可拓展性，在這一基本理念的指導下，可望迎來大量新材料的研發(fā)和問世，由此滿足日益增長的緊迫現(xiàn)實需求。

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https://doi.org/10.1002/adma.202303533