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液态金属中国独步天下,金属利用的

前不久,云南曲靖市金麟湾大道新换了一批180瓦的LED路灯。本来LED灯是外国人的发明,但是金麟湾大道上的这些LED灯却有中国人的发明:利用液态金属具有的高热导率,解决了高热流密度及大功率电子芯片和高强度光电器件等的热障难题。

液态金属:一个全新工业正在我国崛起

来源:科技日报 2016-1-4 李大庆


  “在原创科技方面中国今后能向世界输出什么?我认为液态金属可算一个。”去年12月下旬,在云南省宣威市举行的首届液态金属产业技术发展论坛上,中科院理化技术所双聘研究员、清华大学教授刘静如是说。

金沙国际唯一官网网址,  刘静所说的液态金属是指在常温常压下像水一样呈液态的金属。对常人来说,除了水银,几乎很少能见到液态金属。

  去年3月,国内外媒体刊登了一则消息:刘静团队在世界上首次发现,镓基液态合金吞食少量“食物”后,可以在各种形态之间转换,并实现了自行驱动的快速前进。这个基础科学领域的最新进展令人如痴如“幻”。液态金属走进了公众视线。

  在论坛上,刘静以“液态金属:一个全新工业的崛起”为题,阐释了中国液态金属发展在全球的地位及前景。

  刘静介绍,他和团队研发出一系列在世界上广有影响的原创技术,如世界首支液态金属电子手写笔,可直接绘制电路;借助世界首台液态金属电子电路打印机,只需在电脑上画好电路图,就可将其直接打印出来;首台室温3D金属打印机,则可实现更为复杂的功能器件。而人们平时用的电路板,需要经过繁琐昂贵的腐蚀工艺也即减材制造途径获得线路,既耗时耗材,又造成污染。

  美国NASA在2014年将液态金属冷却列为十大前沿方向之一。而在此前的十多年间,刘静团队早已系统研究了液态金属诸多优异的传热性能和流动特性,首创的系列液态金属散热器已用于多个领域。最令人振奋的是,除散热器之外,其他一些技术如电子手写笔、电子电路打印机、3D打印设备等也已进入工业化生产制造环节。

  论坛上,刘静还向与会者讲解了更多液态金属的神奇:在软塑料上“打印”电路可制造能弯曲、伸展的柔性电路板,用手写笔快速制作LED电子显示屏,在皮肤、树叶上书写电路,为大功率、高集成度LED芯片散热等。

  把液态金属打印在树叶、皮肤上有什么意义?刘静说,这代表了液态金属打印的普适性,可用于在各种表面制造电子电路;而皮肤打印,如在特殊情况下将医用电路和传感器印制到病人的头部,则可通过手机随时了解颅内的有关生理变化。

  3D打印当下很时髦,但多集中于塑料、聚合物等材料上。刘静团队为此研制出液态金属室温3D打印设备,提出并实现了液相快速打印金属,以及非金属材料与金属材料的混合3D打印等,这在世界上属于开创性工作。刘静认为,“这将催生功能器件终极混合制造技术。”

  在论坛上,刘静还介绍了团队在生物医学领域的突破性工作,如液态金属高分辨CT成像、阻塞血管肿瘤治疗技术以及注射电子、液固转换型金属骨骼等。特别是,针对断裂神经修复这一世界性难题,刘静团队采用液态金属“搭桥”,成功实现了神经连接,这一开创性工作已被国际多家媒介报道。

  “人类文明的发展史启示我们:一类材料,一个时代。”刘静说,中国在液态金属领域有幸走在世界的前列,我们希望能把握这一重大历史机遇,在中国建成世界级的液态金属谷。

编辑:苑苑

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11月30日,中国第二届液态金属产业技术高峰论坛就在金麟湾大道旁开幕了,同时液态金属的新材料新技术展也拉开帷幕。

金沙国际唯一平台官网登录,期刊封面故事及液态金属机器驱动的铜丝浸润与自激振荡现象

作为中国液态金属研究的领军人物,中科院理化技术所研究员、清华大学教授刘静的心情有点复杂。

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在液态金属技术还不为多数人所知晓的当下,有600多人参加曲靖的液态金属产业技术论坛,说明液态金属新技术还是得到了产业界一定的认可,这令人欣慰;但仅有产业界的认可远远不够,国外“追兵”已至,自己的研究难以高效推进,他有点为中国液态金属的前景担忧。

液态金属电子打印机的作品

液态金属是一类新兴功能材料,在常温下呈液态。自2001年始,刘静团队就围绕这一当时国际上几乎无人关注的领域展开了探索,先后在多个战略领域取得了全面突破和原始创新,在世界上产生了广泛影响,已形成从基础研究到产品研发乃至产业化推进等方面的领先优势。

刘静率团队跟液态金属打了十多年交道,率先揭开了液态金属诸多全新的科学现象、基础效应和变革性应用途径,在广泛应用领域实现了全面突破,相关成果被认为是人类利用金属的第二次革命。

刘静团队有30多项全新的科学发现。例如发现了自驱动液态金属机器原理,没有通电的液态金属在“吃”了铝后,能够在电解液中自己运动起来;发现了过渡态液态金属机器原理,可在不同形态、尺寸和特性间转换;发现了电控下的液态金属具有多变形效应;发现了液态金属在石墨表面的自由塑型效应等。在应用研究方面,他们在世界上原创性提出液态金属印刷电子学思想,发明了可以直接画电路等的液态金属手写笔和可以实现3D打印的液态金属打印机;发明的用液态金属为原料的“骨水泥”可使骨骼重建;发明了利用液态金属连接彻底断开的神经,从而使青蛙断开的神经有了反应……

一根处理过的铜丝被液态金属迅速吞入,随后在液态金属机体上做长时间往复穿梭运动,如同一根正在演奏中的小提琴琴弦。

刘静说,我们十多年来在液态金属研究方面的创新不是一个或几个单一的技术,现在团队已申报了200项左右的发明专利,主要是在液态金属信息与光电子技术、能源技术、先进制造(印刷电子与3D功能器件打印)、生命健康以及柔性智能机器等领域有着重大突破和创新,广泛地影响着电子、化学及仪器等工业的发展。

不久前,在中国科学院理化技术研究所研究员刘静的实验室里,科研人员向《中国科学报》记者介绍了他们首次发现并报道的上述奇妙现象。这里的室温液态金属是一大类物理化学行为十分独特的新兴功能物质,然而其诸多属性和用途却长期鲜为人知。

一类材料,一个时代。中科院刘维民院士在论坛上说,铜的发现使人类社会进入了青铜器时代,铁的发现让人类迈入了铁器时代,“我不敢说液态金属开辟了一个新的时代,但它作为一种新材料,给我们开辟了一个新世界。”

刘静率团队跟液态金属打了十多年交道,率先揭开了液态金属诸多全新的科学现象、基础效应和变革性应用途径,在广泛应用领域实现了全面突破,相关成果被认为是人类利用金属的第二次革命。

北京航空航天大学王浚院士认为液态金属可在航天工程中大展身手。鉴于液态金属有许多的新特性,他在论坛上就表示要与刘静团队开展深入合作。

“雀跃”的液态金属

液态金属的应用领域如此之广,以至于北京梦之墨科技有限公司研发总监于洋在论坛上首次论述了“液态金属+”的概念,认为液态金属可以开创全新的电子制造工业。

镓基液态合金可在“吞食”少量物质后,以可变形机器形态长时间高速运动,实现无需外部电力的自主运动。刘静团队在世界上首次发现了这种异常独特的现象和机制。

10多年前,当刘静团队在液态金属领域展开研究之时,国外相关研究一片沉寂。而当刘静近些年成果相继产生并入选国际知名奖项,特别是有近20篇文章先后为国际知名学术刊物选作封面文章刊登、国外顶尖科学媒体对中国成果做了广泛报道后,国外科技界加大力度追赶中国。如美国Nanocoolers公司仅在液态金属CPU散热研究上就获得超过2000万美元的资金投入,德国几个研究中心和大学成立了液态金属研究联盟,其针对液态金属流动测量的研究运行经费也高达2000万欧元,美国加州大学洛杉矶分校、伯克利大学、耶鲁大学也启动了液态金属冷却研究项目。近年来更多发达国家纷纷介入液态金属研究,并投入重金予以推进。与之相比,中国的资金投入可谓少之又少。

“我们的发现将为可变形液态金属机器人的研制开辟新通道。”刘静告诉《中国科学报》记者,“比如,研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属柔性智能机器人。”

10几年来,刘静团队几乎是在没有任何国家项目支持的条件下白手起家干出来的。面对欧美的追赶,刘静有点担忧:我们好不容易才产生的令欧美追赶的液态金属技术可不能等着让人家赶上啊!

刘静将团队的发现命名为“液态金属软体动物”。它们一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物,比如:能“吃”食物、能自主运动、可变形、具备一定代谢功能。

(原载于《科技日报》 2016-12-06 05版)

团队发现的自驱动液态金属机器引申出了全新的可变形机器概念,刘静认为这将显著提速高级柔性智能机器与高仿生机器人的研制进程,同时对于发展超越传统的柔性电源和机械动力系统也极具价值。

因此,刘静团队的此项研究入选“2015两院院士评选中国十大科技进展新闻”,刘静本人也入选“CCTV科技盛典2015十大创新人物”。

今年早些时候,刘静团队还首次报道了一类有趣的液态金属褶皱波效应:浸没于环状石墨电极之间电解液中的液态金属,可在电磁场诱导下形成各式各样对称的褶皱波图案。

因为外加电场改变了液态金属表面的电荷分布,继而形成表面张力梯度,由此导致的电毛细力会使得液态金属发生对称形变。刘静向记者进一步解释了该原理,结合表面张力以及石墨电极与永磁体作用,液态金属可因洛伦兹力发生旋转继而失踪,由此形成更为丰富的流体形态。

刘静希望能够穷尽一生的努力去发现液态金属更多有趣的现象,并揭示其原理和机制,最终可将液态金属应用于各行各业。

梦之墨的诞生

众所周知,金属3D打印是当今增材制造领域的难点和制高点,由于受技术瓶颈及成本限制,现有装备一般限于工业级应用,尚无法实现大众化和普及化。刘静团队不仅首次提出室温3D金属打印、液相打印以及机电一体化复合打印技术,还研发出商用设备。

刘静团队提出了一系列快速制造电子电路及功能器件的学术思想、技术发明以及旨在发现新型电子墨水的液态金属材料基因组策略,被认为有望改变传统电子及集成电路制造规则。

这里的液态金属印刷电子学颠覆了传统电子工程学的制造理念,其“所见即所得”的电子直写模式为发展普惠型电子制造技术、重塑个性化电子提供了变革性途径,且快速、绿色、低成本。

经过刻苦攻关,刘静团队研发出世界首台液态金属桌面电子电路打印机,该液态金属打印机解决了金属墨水表面张力高难以通过常规方法平稳驱动的难题。

在此基础上,团队还首次提出并证实了可在任意固体表面和材质上直接制造电子电路的打印技术,研制出具有普适意义的液态金属喷墨打印机,从而使得“树叶也可变身电路板”。

这项电子电路打印技术被业界评论认为“围绕在不同表面打印电路的竞赛可以终结了”,同时也打破了个人电子制造技术的瓶颈和壁垒,使得在低成本下快速、随意制作电子电路特别是柔性电子器件成为现实,预示着电子制造正逐步走向平民化。

刘静指出:“我们的液态金属3D打印技术改变了传统3D打印主要限于聚合物或高熔点金属的格局。”在“大众创业,万众创新”的巨大需求下,刘静开始尝试将实验室里的技术推向市场。

2014年年末,刘静在中关村创设了北京梦之墨科技有限公司。2015年,世界首座液态金属科技馆在云南宣威拔地而起,世界首条液态金属电子手写笔生产线和电子油墨生产线也在当地建成。

未来应用的展望

未来,液态金属还有很多可以大展拳脚的领域,比如在医疗健康领域,独特的液态金属材料将带来观念性变革。

针对若干世界性重大医学难题和技术挑战,刘静团队构建了液态金属生物材料学全新领域,他介绍说:“我们的研究涉及神经连接、血管造影、肿瘤治疗、骨骼修复、注射电子、皮肤电子等核心问题,这些方法颠覆了传统医学科学理念,突破了已有技术的瓶颈,将为全新医疗技术体系的创建带来新曙光。”

比如,刘静团队研发了一种全新原理的液态金属神经连接与修复技术,通过迅速建立损伤神经之间的信号通路及生长空间,可大幅提高神经再生能力并显著降低肌肉功能丧失的风险。

与此同时,由于液态金属在X射线下具有很强的显影性,因而在完成神经修复之后很容易通过注射器取出体外,可避免复杂的二次手术。这一方法为神经连接与修复这一世界性医学难题的解决开辟了全新方向,被认为是“令人震惊的医学突破”。

谈及应用,刘静深感欣慰,这么多年来,在他的实验室里诞生了“第一张灌注液态金属的心脏图像”“液态金属人体外骨骼技术”“一个化学常识引发的颠覆性肿瘤治疗方法”“世界首个液态金属机器人”……

他由衷地感慨道:“一个人的时间和精力太有限了,我希望能潜心科研,掌握更多液态金属的特质,至于产业化的推广我和团队欢迎能有更多专业人士加入,大家共同推动液态金属在各技术领域带来颠覆性变革。”

(原载于《中国科学报》 2016-11-07 第6版 院所)

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