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常州日报—液态金属铸就“马良神笔”

发布日期:2016年03月29日  |  来源:常州日报

家里的一根电路断了,不需要找专业的电工上门修理,只需用笔画一下,就完成了接驳;《哈利·波特》中的《预言家日报》出现在现实生活中指日可待,届时,报纸上不再只是静态的图片和文字。


这样的神奇故事并非来自科学幻想或影视作品,它们即将成为现实。而为此带来新希望的,是身兼中科院理化所研究员及清华大学教授的刘静博士。


实现关键突破


传统的电子器件印刷工序通常较为复杂,易污染环境,且耗时、耗材、耗能,成本很高。刘静说:“这些年来,国内外一直在探讨,能否改变集成电路设计制造的游戏规则,就像写字或绘画一样,将电路及电子器件直接写在基底上。”


然而,高性能墨水的欠缺一直是产业发展的短板。


常规的导电油墨,包括新近出现的基于纳米金/银/铜以及碳纳米管、石墨烯等的电子油墨,仍存在配制工艺复杂、电阻率高、器件成型固化温度高等缺点。


“我们实验室的重要贡献在于,将室温下可以流动的金属引入了印刷电子。”刘静说。这种所见即所得的电子直写技术,被刘静命名为dream-ink(梦之墨)技术。


早在十余年前,刘静就意识到液态金属研究的科学意义和重大价值。所谓液态金属,既可以是像水一样的流体,也可以是固体;既是导体,也可以转换成其他性质材料。比如,液态金属可以注射入人的身体里固化作为骨骼。在理想状态下,即便人体内极为脆弱的神经断了,未来科学家也可以应用液态金属把断了的神经连起来。可以说,液态金属孕育着许多前瞻性、前沿性的应用。


化解制造难题


研究过程中也遇到过不少障碍。研究组成员李海燕说:“一开始我们的想法是,将金属流体直接写在纸上。但在实际操作中发现,普通金属流体是没有办法附着在纸上的,会像水银液滴一样来回滚动。”


一年多前,该情况得以改变,因为学材料的高云霞博士加入了团队。她对材料加以改性,“经过一次改性,常规领域使用到的界面黏附性问题都解决了。”高云霞说。


此前,美国科研人员通过两种物质发生化学反应,沉积金属件实现了柔性材料上的电子功能。相关论文在全世界引起了很大轰动。


但高云霞表示,用含银的盐进行化学反应,可以沉积成银导线,附着在柔性基底上。“对这种方式来说,温度越高导电率越好,但事实是,高温对柔性材料是很不利的因素,其技术适用性限制很大。”高云霞说。而所见即所得的dream-ink技术则避免了上述困难,在常温下即可直接印制各种薄膜乃至三维结构。


刘静团队的下一个目标是研制出更多常温下的液态金属墨水,用以满足各种特定功能电子器件,如生物医学传感器、3d天线、薄膜晶体管等,从而将这一方法扩展到更多工业和商业领域乃至日常生活中。


液态金属研究的“潜修者”


早在1999年,时年30岁的刘静就被中科院理化所作为“百人计划”引进所里,此后,他就开始了相关领域的研究。


最终,科学之神慷慨地赐予了回报,给刘静及其小组带来了意外之喜——2013年秋,世界首台电控的可变形液态金属机器被他们首次发现。


在一次偶然的试验中,刘静小组发现浸没于水中的镓基液态金属对象,可以在极低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动乃至在周围流体中诱发出涡街等现象。较为独特的是,一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球,变形过程十分快速,而表面积改变幅度高达上千倍。


2015年3月,刘静再次彰显了中国科学家的原创实力——他和他的团队发表了《仿生型自驱动液态金属软体动物》的论文。原来,团队发现,依靠进食铝,液态金属球就可以实现自由运动,一小片铝即可驱动直径约5毫米的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动,速度高达每秒5厘米。这种柔性机器既可在自由空间运动,又能于各种结构槽道中蜿蜒前行。


科研人员认为,这种液态金属机器的习性已相当接近自然界一些简单的软体生物(比如草履虫),因为它能“吃”燃料,自身几乎不消耗,可以自主运动,还能变形,具备一定的化学反应,因此将其命名为“液态金属软体动物”。


这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统,从而向研制自主独立的柔性智能机器迈出了关键的一步。


“未来的机器人,一定是高度灵活、智能、柔性化的。就像人一样,必须有细胞、组织才能构成皮肤,还需要血液、骨架、神经等等,构筑液态金属机器的每一步都需要非常多的积累。当然,我们一方面既要扎实推进基础研究,同时也会探索衍生的各种应用,通过彼此交互来推进液态金属研究。”刘静最后表示。