理化所發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在石墨表面的自由塑型效應(yīng)

　　近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學(xué)研究組首次報道了液態(tài)金屬可在石墨表面以任意形狀穩(wěn)定呈現(xiàn)的自由塑型效應(yīng)，并實現(xiàn)了逆重力方式的攀爬運動，研究以封面文章形式發(fā)表于《先進(jìn)材料》。此前，金屬液滴因自身表面張力較大，在電解液中通常以球形方式存在，塑形能力及變形模式相對有限。

　　在這篇題為《石墨表面上的液態(tài)金屬操控》(Hu et al., Manipulation of Liquid Metals on A Graphite Surface, Advanced Materials, vol. 28, pp. 9015, 2016)的論文中，研究組首次發(fā)現(xiàn)通過引入石墨基底，可靈活自如地將處于電解液環(huán)境中的液態(tài)金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環(huán)形以及更多任意形狀(圖1)。迄今，液態(tài)金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀，然而一旦去除外場，液態(tài)金屬即會在其表面張力作用下迅速回縮成球形，無法維持先前的結(jié)構(gòu)。此次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬自由鋪展與塑型效應(yīng)，為柔性變形機(jī)器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。

　　實驗表明，將一滴液態(tài)金屬置于浸沒在氫氧化鈉溶液中的石墨表面上時，液態(tài)金屬會自動攤開形成扁平的煎餅狀，這與位于玻璃基底上以球形方式呈現(xiàn)的液態(tài)金屬非常不同(圖1)。引發(fā)這類鋪展效應(yīng)的原因主要來自液態(tài)金屬與石墨基底間的電化學(xué)相互作用。在堿性溶液中，石墨表面通常帶正電荷，而液態(tài)金屬表面帶負(fù)電荷，當(dāng)這兩種導(dǎo)體接觸時，電荷會從液態(tài)金屬流向石墨，液態(tài)金屬表面被氧化形成氧化膜，這會顯著降低其表面張力，此時液態(tài)金屬表現(xiàn)為類似于泥漿的狀態(tài)，由此可被隨意塑造成各式各樣的形狀。該項研究首次實現(xiàn)了在開放液體環(huán)境中的液態(tài)金屬自由塑形，突破了原有的液態(tài)金屬元件調(diào)控模式，在不定形柔性電子器件、可變形智能機(jī)器的設(shè)計乃至先進(jìn)制造方面有重要價值。

　　進(jìn)一步地，基于石墨表面的液態(tài)金屬自由塑形效應(yīng)，研究人員探索了電場作用下液態(tài)金屬不同于傳統(tǒng)基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學(xué)圖景(圖2)，初步揭示了其獨特的變形及匍匐運動行為的內(nèi)在機(jī)制。有趣的是，作者們還首次揭示出處于自由空間下的電控液態(tài)金屬的蠕動爬坡能力，實現(xiàn)了逆重力方式的運動(圖3)；而采用常規(guī)材料，液態(tài)金屬會因自身重力較大且表面光滑難以攀爬的緣故，不易通過外電場實現(xiàn)逆重力牽引。新發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了近年來興起的液態(tài)金屬柔性機(jī)器的理論與技術(shù)內(nèi)涵。

　　此項研究得到中科院院長基金特別支持項目資助。

圖1 期刊封面故事及液態(tài)金屬在石墨表面的自由鋪展與塑形效應(yīng)

圖2 石墨基底表面的液態(tài)金屬在外電場作用下的變形與匍匐運動行為

圖3 電控液態(tài)金屬以蠕動變形方式在石墨斜坡上逆重力攀爬的情形(側(cè)視及俯視圖)