香港(gang)城市(shi)大(da)學在液態金(jin)屬力(li)學超(chao)材(cai)料領(ling)域(yu)取(qu)得進展(zhan)

圖(tu)1 液(ye)態金(jin)屬基(ji)微點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料( https://doi.org/10.1002/smll.202070252)

1991年上(shang)映的(de)科(ke)幻(huan)電影(ying)《終(zhong).結.者2》描(miao)繪了壹(yi)個能(neng)夠(gou)隨意變形(xing)，可自(zi)我修復的(de)液(ye)態金(jin)屬機(ji)器人(ren)T-1000，展(zhan)現(xian)了液(ye)態金(jin)屬應用(yong)的(de)無限可(ke)能(neng)。電(dian)影(ying)中液(ye)態金(jin)屬機(ji)器人(ren)是(shi)邪.惡的(de)化(hua)身，在實際應用(yong)中，液(ye)態金(jin)屬卻(que)大有裨益(yi)，特(te)別是(shi)在小尺(chi)度(du)壹(yi)些精密的(de)應用(yong)上(shang)，如神經(jing)纖維修復和微(wei)型機(ji)器人(ren)。然而直接暴(bao)露的(de)液(ye)態金(jin)屬不易操作(zuo)，且(qie)容(rong)易(yi)腐蝕(shi)其他(ta)金(jin)屬，應用(yong)不當會帶來不良(liang)後(hou)果，有(you)鑒(jian)於(yu)此，香港(gang)城市(shi)大(da)學“納(na)米制造(zao)實驗(yan)室(shi)”的(de)科(ke)研(yan)團(tuan)隊(dui)正(zheng)在嘗(chang)試在微觀尺(chi)度(du)上(shang)“駕馭(yu)”液態金(jin)屬，使(shi)得其為未來精(jing)密(mi)應用(yong)，特(te)別是(shi)金(jin)屬力(li)學超(chao)材(cai)料帶(dai)來更(geng)多(duo)新的(de)可(ke)能(neng)。

目前(qian)的(de)金(jin)屬微(wei)點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料具有(you)超(chao)輕(qing)、高比(bi)強(qiang)度(du)等(deng)特(te)性(xing)，在無人機(ji)機(ji)翼、小微型電(dian)子(zi)器(qi)械等器件上(shang)具有(you)很(hen)好的(de)應用(yong)前(qian)景(jing)。但(dan)是(shi)，目前(qian)這類(lei)力(li)學超(chao)材(cai)料的(de)韌性(xing)較差(cha)，且(qie)在服役過(guo)程(cheng)中容(rong)易(yi)脆(cui)斷(duan)失效。為了提(ti)高韌性(xing)，香港(gang)城市(shi)大(da)學機(ji)械工程學系陸(lu)洋教(jiao)授領導的(de)研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)開發了液(ye)態金(jin)屬-聚(ju)合物微點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料。該(gai)材(cai)料不僅(jin)有良(liang)好的(de)韌性(xing)，而且(qie)充(chong)分利用(yong)低(di)溫(wen)度(du)範圍(wei)下(xia)液(ye)態金(jin)屬的(de)特(te)性(xing)，實現(xian)了類(lei)似科(ke)幻(huan)電影(ying)中復雜形(xing)態液態金(jin)屬的(de)自(zi)我(wo)修復功能(neng)。該(gai)項研(yan)究(jiu)成果發表在國際期刊(kan)《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202004190）。

該(gai)團(tuan)隊(dui)基(ji)於摩(mo)方(fang)精(jing)密（BMF）超高(gao)精度(du)光(guang)固(gu)化3D打(da)印(yin)機(ji)nanoArch S140打(da)印(yin)出(chu)中空(kong)的(de)聚(ju)合(he)物外框，壁(bi)厚(hou)100-300 μm。采用(yong)真(zhen)空液體填充(chong)技(ji)術在聚合物薄(bo)殼(ke)中註(zhu)入液(ye)態金(jin)屬鎵(jia)（Ga），首.次(ci)制備(bei)了液(ye)態金(jin)屬-聚(ju)合物核殼(ke)結構(gou)的(de)微(wei)點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料。該(gai)材(cai)料具有(you)以下(xia)特(te)點(dian)：

良(liang)好的(de)斷(duan)裂韌性(xing)

圖2 液(ye)態金(jin)屬-高(gao)分子(zi)點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料良(liang)好的(de)斷(duan)裂韌性(xing)

良(liang)好的(de)斷(duan)裂韌性(xing)。相比(bi)於(yu)實心或(huo)空心高(gao)分子(zi)點(dian)陣結構(gou)，液態金(jin)屬-高(gao)分子(zi)點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料避(bi)免(mian)了受(shou)壓過(guo)程(cheng)中的(de)脆(cui)斷(duan)失效現(xian)象(xiang)。這是(shi)由於Ga的(de)存在，阻(zu)礙(ai)了裂(lie)紋在高分子(zi)外(wai)殼(ke)中的(de)擴(kuo)展(zhan)，使(shi)得(de)該(gai)結構(gou)在裂紋出(chu)現(xian)後(hou)依(yi)然可以承(cheng)受(shou)載荷。

形(xing)狀記憶(yi)效應

圖3 液(ye)態金(jin)屬-高(gao)分子(zi)點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料良(liang)好的(de)形(xing)狀記憶(yi)效應

形(xing)狀記憶(yi)效應。得益(yi)於(yu)Ga較(jiao)低(di)的(de)固(gu)液轉(zhuan)變溫(wen)度(du)（29.7℃），當Ga為固(gu)態時，能(neng)夠(gou)完(wan).美(mei)的(de)保(bao)持(chi)變(bian)形(xing)後(hou)形(xing)狀；Ga融(rong)化後(hou)，該(gai)結構(gou)又能(neng)完(wan).美(mei)的(de)恢(hui)復至(zhi)原(yuan)始(shi)形(xing)貌(mao)，表(biao)現(xian)出(chu)形(xing)狀記憶(yi)效應。當采用(yong)合(he)理(li)的(de)拓(tuo)撲(pu)結構(gou)，該(gai)材(cai)料被(bei)大(da)幅(fu)壓縮20%後(hou)，依(yi)然能(neng)夠(gou)完(wan).美(mei)的(de)恢(hui)復。

優(you)異(yi)的(de)斷(duan)裂恢復性(xing)

 圖4 液(ye)態金(jin)屬-高(gao)分子(zi)力(li)學超(chao)材(cai)料優(you)異(yi)的(de)斷(duan)裂恢復能(neng)力(li)

優(you)異(yi)的(de)斷(duan)裂恢復性(xing)。即(ji)使(shi)部分斷(duan)裂後(hou)的(de)液(ye)態金(jin)屬基(ji)微點(dian)陣結構(gou)超材料依(yi)然能(neng)夠(gou)基(ji)本恢復原(yuan)始(shi)形(xing)狀，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)保(bao)持(chi)壹(yi)定的(de)承(cheng)載性(xing)能(neng)(≥50%初始(shi)強(qiang)度(du))。部分斷(duan)裂的(de)高(gao)分(fen)子(zi)外(wai)殼(ke)在Ga融(rong)化後(hou)恢復至(zhi)原(yuan)始(shi)狀態，驅(qu)動整(zheng)體結構(gou)恢復至(zhi)原(yuan)始(shi)形(xing)狀。

綜上(shang)所(suo)述(shu)，被(bei)3D打(da)印(yin)包(bao)裹(guo)“駕(jia)馭(yu)”的(de)液(ye)態金(jin)屬核心表(biao)現(xian)出(chu)良(liang)好的(de)韌性(xing)、形(xing)狀記憶(yi)效應及優(you)異(yi)的(de)斷(duan)裂恢復能(neng)力(li)。這種新(xin)型的(de)液(ye)態金(jin)屬基(ji)微點(dian)陣力(li)學超(chao)材(cai)料有(you)望(wang)在生(sheng)物(wu)醫(yi)療(liao)器械、微電子(zi)器(qi)件及(ji)微(wei)型機(ji)器人(ren)等(deng)應用(yong)獲得(de)巨大的(de)潛(qian)力(li)，甚至(zhi)實(shi)現(xian)壹(yi)些(xie)以往(wang)在《終.結.者》或(huo)者(zhe)《變(bian)形(xing)金(jin)剛(gang)》等科(ke)幻(huan)電影(ying)裏才能(neng)看到(dao)的(de)前(qian)沿(yan)應用(yong)場景(jing)。