【原】中科院理化技术研究所刘静课题组与中国农业大学何志祝课题组Adv. Fun. Mater：利用磁材料彻底解决液态金属泄露问题

导语

区别于传统的刚性金属材料，液态金属既具备金属材料的特性，又同时兼具流动性（也即柔性），使其在智能电子和传感器、软体机器人、可穿戴设备、3D打印、热管理和生物医学系统乃至空间应用等领域展现了巨大的应用潜力。但不可忽视的是，液态金属的流动性也为其实际应用带来了一个严峻挑战——即液态金属的泄露问题。由于液态金属可以和多种金属形成金属间化合物进而腐蚀设备，且还可能造成设备的短接，因此采取有效的方法解决液态金属的泄露是一个十分必要且亟待解决的科学难题。

鉴于此，中科院理化技术研究所刘静课题组和中国农业大学何志祝课题组合作，开创性地提出了一种自下而上的动态防泄漏液态金属制备策略，基于银修饰的硬磁材料钕铁硼在充磁前后的状态变化和液态金属的高表面张力，巧妙地将液态金属锁定在钕铁硼颗粒之间，从而“根治”了液态金属的泄露问题。这样制备出来的磁固定液态金属（MILM）不但在静态下不泄露，在大的压缩应力作用下依然可以保持不泄露的状态，因而具有动态防泄漏特征。具体来说（如图1所示），镀银钕铁硼颗粒在充磁前与一般的固体金属颗粒相似，且其与液态金属具有良好的润湿性，可以通过包吞的方式将二者掺混到一起，然后对掺混后的混合物进行充磁；在这一过程中钕铁硼颗粒相互吸引形成多孔结构，而液态金属自然地被夹持在钕铁硼颗粒的缝隙之间，从而借助自身的高表面张力固定其中，不再泄露。此过程避免了外界的氧化作用，使得液态金属得以最大限度的保持自身的特性。而由于硬磁颗粒之间的强磁相互吸引力，即使在外界的压力下这一多孔结构也仅会发生变形而非坍塌，因此这样制备出来的液态金属的防泄漏特性是动态可适应的，这对于一些动力机构的运行显然非常有利。

除上述优点外，磁固定液态金属还显示出显著改善的热学性能。以铋基液态金属为例，相应的MILM表现出大的储热容量、良好的热稳定性、高导热性和低热阻。与纯EBiInSn相比， MILM的热导率增加了42.3%。研究中还展示了MILM的典型应用，并说明了进一步提高性能的途径。例如，在MILM中添加微量的膨胀石墨（EG），在不影响其导电性的情况下，其导热性提高了约2.16倍。改变NdFeB颗粒的类型将MILM的热导率提高了1.61倍，并将其电导率提高了69.61%。

该项研究成果以“Dynamic Leakage-Free Liquid Metals”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202210961），陆泳宇博士（毕业于中科院理化技术研究所，现为美国康涅狄格大学博士后）和于得海博士为本文的共同一作，刘静研究员和何志祝教授为共同通讯。

图文简析

图1. 液态金属的泄露问题和动态防泄漏的液态金属的制备过程展示（来源：Advanced Functional Materials）

图2. 动态防泄漏液态金属的内部结构和磁性能表征（来源：Advanced Functional Materials）

镀银钕铁硼颗粒不但可以通过包吞的方式直接和液态金属掺混到一起，钕铁硼颗粒外的致密银壳还可以防止钕铁硼被液态金属腐蚀从而缓慢丧失磁性；上述的系列表征也说明钕铁硼颗粒并未与液态金属发生合金化反应，其磁性可以长时间保持不变，因而利用镀银硬磁颗粒制备动态防泄漏的液态金属这一方法是可靠的，且具有一定的耐久性。

图3. 动态防泄漏液态金属的热学和电学性能（来源：Advanced Functional Materials）

除此以外，在钕铁硼颗粒表面镀银还可以提升防泄漏液态金属的导热性能，且并未对其导电性能产生明显的干扰，结合液态金属的动态防泄漏特性，使该种液态金属在热界面材料和电子电路等领域具有巨大的应用潜力。

图4. 动态防泄漏液态金属的应用（来源：Advanced Functional Materials）

该种动态防泄漏的液态金属在热管理、3D电路等方面均展示了良好的应用潜力。

图5. 动态防泄漏液态金属的性能提升（来源：Advanced Functional Materials）

此外，在该种动态防泄漏的液态金属中掺混少量的膨胀石墨或更换钕铁硼颗粒种类，均可以显著提升该种动态防泄漏液态金属的性能。在膨胀石墨掺杂比例仅为1.81wt%的情况下，液态金属的热导率提升了近2.16倍，而将钕铁硼颗粒更换为磁性更强的钕铁硼后，钕铁硼颗粒同样可以在外表面银壳的保护下不被液态金属腐蚀，从而长久地保持液态金属的动态防泄漏特征，且更将热导率和电导率分别提升了1.61倍和69.61%。

总的来说，本项研究利用永磁颗粒充磁前后的状态变化和液态金属的高表面张力，提出了一种自下而上的解决液态金属泄露问题的策略，且由于永磁颗粒之间的磁相互吸引特性，该种液态金属具有动态可适应的防泄漏特征。

课题组简介

中国农业大学何志祝课题组（中国农业大学工学院农业柔性传感技术研究中心）简介

该中心主要围绕作物柔性体和复杂农田环境带来的低可靠性作业问题，研究土壤-作物-机器系统互作机制，探索农作物表型、作业信息、农产品加工等信息快速感知技术，突破耐磨减阻新材料技术，为农业现代化作业装备提供有效科学支撑。近年来，在农机装备、作物表型及智能传感等相关领域，主持国家重点研发计划项目及课题10项和国家自然基金20项，在Nature子刊等专业领域高水平期刊发表SCI论文100余篇，授权发明专利60余项，已研制出系列可用于拖拉机及收获机械作业状态（振动、损失率、作业环境等）原位传感监测装置与系统原型样机，创制出系列高通量、多参数、自供电的作物表型及食品信息感知系统，为有效解决我国农机装备关键零部件的高阻耗、易腐蚀、易磨损、低可靠性、高损收获、关键作业信息缺失及农作物生理特征监测等难题提供了创新技术路径。

中科院理化技术研究所刘静课题组简介

液态金属与低温生物医学实验室于1999年正式成立，由中国科学院理化技术研究所刘静研究员任学术带头人。实验室始终坚持基础研究与应用实践并重，研究方向主要涉及两方面，分别围绕液态金属物质科学前沿交叉研究方向以及先进生物医学研究方向等，涵盖了液态金属、工程热物理、低温生物医学、移动健康技术、材料科学与工程、电子工程、机械工程、化学以及应用物理学等多个学科领域。

围绕液态金属这一重大新兴前沿学科领域，实验室经过20余年的努力，在基础探索及其综合利用方面取得一系列开创性基础发现和底层技术突破，先后开辟出诸多崭新领域和前沿方向，如：液态金属印刷电子学与3D打印、液态金属芯片冷却与能量捕获、液态金属生物材料学以及液态金属柔性机器学等，率先在国际上构建了液态金属物质科学与应用技术体系。与此同时，还提出并推动了中国液态金属谷与液态金属全新工业的创建和发展，得到业界广泛认同。实验室发明的一系列技术已推向规模化市场应用，研究成果在世界范围广有影响，被誉为“人类利用金属的第二次革命”。

实验室还在生物传热学领域有重大贡献和系统创新，先后建立系列新型高/低温医疗模式、生物热物理理论与应用技术。因“在热科学与技术领域卓越贡献而备受传热界尊敬”，刘静研究员获国际传热界最高奖之一威廉·伯格奖（每4年颁发1次，每次在全球仅选出1名）。实验室发明并研制出世界首台集深低温冷冻与高温消融于一体的肿瘤微创治疗装备-康博刀，这一大型医疗装备已通过国家药监局产品注册审评获准上市，在全国范围实现规模化临床应用。在长期实践中，实验室还较早提出低成本普惠医疗技术思想，出版了均为国际首部的前沿著作：《先进低成本医疗技术》及《手机平台上的生物医学工程学：原理及应用》，促进了新兴学科和产业繁荣；研发的系列无线移动医疗设备得到规模化应用。

实验室自组建以来先后承担多项国家、中科院和各部委科研课题，已出版17部跨学科前沿著作，特别是在新兴学科方向出版了诸如《液态金属物质科学基础现象与效应》、《液态金属3D打印技术-原理及应用》、《液态金属印刷电子学》、《中国液态金属工业发展战略研究报告》、《常温液态金属：将如何改变未来》、Liquid Metal Biomaterials：Principles and Application、Liquid Metal Soft Machines：Principles and Applications、Advanced Liquid Metal Cooling for Chip，Device，and System、《超常规能源技术》、《微米/纳米尺度传热学》等前沿著作。在国内外权威学术期刊上发表学术论文500余篇，其中50余篇入选知名期刊封面或封底故事。实验室已申请专利500余项（其中发明专利占80%以上）。

实验室先后荣获国际传热界最高奖之一威廉·伯格奖、全国首届创新争先奖、科技盛典CCTV年度十大科技创新人物、中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖、中国国际工业博览会创新奖、中关村十大创新成果、中国制冷学会技术发明一等奖、美国机械工程师学会会刊年度唯一最佳论文奖、入选及入围两院院士评选中国十大科技进展新闻各1次、两次入选中科院科技成果在京转化先进团队特等奖等，并入围素有国际工业界“奥斯卡”之称的“R&D 100Awards Finalist”。

教授简介

何志祝教授简介

中国农业大学工学院教授/博士生导师，工学院农业柔性传感技术研究中心主任。主要从事微能量回收、自供电柔性传感、生物系统传热传质等交叉科学问题研究，相关研究成果在Nature Communications、Advanced Materilas及Applied Energy等国际知名期刊发表第一/通讯作者 SCI论文40余篇，出版英文学术著作1部，获授权发明专利10余项，主持国家自然科学基金青年/面上项目3项，曾入选中科院青年促进会和中国农业大学青年科学家A类培育计划。

刘静教授简介

清华大学教授/中科院理化所双聘研究员

清华大学理工双学士、工学博士。长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究。发现液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了液态金属在生物医疗、柔性机器人、印刷电子与3D打印、芯片冷却等领域探索实践，提出并推动了中国液态金属谷以及液态金属全新工业的创建和发展；研发的众多液态金属应用系统、大型肿瘤治疗装备-康博刀系统及无线移动医学仪器等得到广泛应用。约50篇液态金属主题论文入选期刊封面或封底故事，获授权发明专利300余项。曾获国际传热界最高奖之一“The William Begell Medal”（每4年从全球范围选出1名学者授奖）、2017全国首届创新争先奖、入围及入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”各1次，CCTV 科技盛典2015年度十大科技创新人物、2015 R&D 100 Awards Finalist、美国Popular Science（中文版）2016年度全球100项最佳科技创新奖，两次入选中国科学院科技成果在京转化先进团队特等奖等。

关于人物与科研

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。