与聚合物、塑料、木材等非金属材料相比，室温液态金属的高密度(通常大于5 g cm-3)是其广泛应用的主要障碍。这将给构建的组件带来额外的重量，导致强烈的不适、更大的能源消耗和更糟糕的用户体验，特别是在需要大量金属的情况下，如可穿戴外骨骼、软机器人或便携式电子设备。近日，来自清华大学Jing Liu教授报道了一种轻如水的液态金属实体概念材料，在温度调节下仍然保持着优异的一致性、导电性和刚度变化，有望用于制造各种先进的软机器人和水下设备。相关论文以题为”Lightweight Liquid Metal Entity”于2月17日发表在AdvancedFunctional Materials上。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910709
室温液态金属是一种低熔点金属，具有良好的导电性、导热性和流动性，是将传统电子产品从刚性材料中解放出来的有效选择。与汞相比，低蒸气压的镓基合金具有很大的生物安全性优势。并且得益于其熔点，该合金还可以在室温范围内方便地实现固液相变。在许多领域都有应用，如柔性电子、增材制造、可穿戴设备、生物医学实践、外骨骼系统、和软机器人等，液态金属是非常理想的材料。
此外，由于高表面张力(约等于624 mN m-1)和液态的特性，在设计的结构中也很难形成共晶镓铟合金(eGaIn)，这被认为是eGaIn广泛应用的局限性。正如上述所言，液态金属的高密度以及表面张力大等因素，限制了液态金属的广泛应用。目前为了降低液态金属的密度，通常采用在复合材料中降低液态金属组分质量的方法-降低金属的使用量，如将金属分散成小液滴或极薄的金属层。然而，这些方法可能会导致功能的丧失，特别是在导电性和一致性方面。
到目前为止，还没有一种通用的方法来制造理想的液态金属基材料，使其根据各种需要具有更轻的密度。幸运的是，最近的研究发现，氧化物的存在对eGaIn与其他材料的结合有很大的帮助，特别是硅、金属颗粒和聚合物。本文从广义的角度出发，提出了一种轻如水的液态金属轻实体概念材料。
在此，研究者提出并论证了低密度、高延性、良好的成形能力和刚度可变性的液态金属复合材料。为了典型的演示目的，以玻化微珠(GB)为重点，以eGaIn合金为基体金属，制备了轻量液态金属复合材料(GB-eGaIn)，该复合材料具有较低的密度和浮力，良好的导电性以及可通过温度调节在软状态和完全刚性状态之间的相变能力。一种由共晶镓铟合金(eGaIn)和玻璃泡组成的超轻材料，其密度可以降低到2.010甚至0.448 g cm-3以下，甚至比水还要轻，但在温度调节下仍然保持着优异的一致性、导电性和刚度变化。该材料可进一步通过折叠或力的调节来构建各种复杂的结构，以适用于各种应用场景，可重复使用8次，功能损失不明显。
图 1 玻化微珠(GB)和GB-eGaIn
图2 GB-eGaIn复合物的相关表征和测试
图 3 GB-eGaIn在平面结构中相关的力学和电学表征
图 4 在GB-eGaIn中添加水后的形貌
图 5 平面GB-eGaIn的漂浮表现
图 6 3DGB-eGaIn复合物
该文提出了轻质液态金属复合材料的概念。通过在液态金属中引入玻化微珠，研究者研制出了一种具有高舒适性、延展性和导电性的轻质材料。该研究工作打开了轻质液体金属在各种设备和软机器人领域内使用的未来之门。
来源：材料科学与工程公众号，作者：水生。
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