听到液态金属你会想到什么？汞？还是电影《终结者》中某个坏boss？

不过面对这个问题，North Carolina State University的化学工程学教授Michael D. Dickey想的跟你可大不一样。在他们的脑海中，浮现出的是镓以及镓的合金。North Carolina State University是世界上为数不多的研究这种特殊材料的学术机构，不过，他们的同伴很快就会多起来，因为这种材料正在柔性可伸展电子设备领域大展身手。

说到可伸展电子设备，现代青年肯定不会陌生，通过把柔性电路整合到贴身运动服或者植入到人体内，这种新型电子设备正在改变我们对于运动、医疗、机器人等领域的认知。而液态金属除了在上述设备中扮演重要角色，在微流体领域中也得到了应用。

梦幻般的材料

如果你听上一段Dickey和他的同事们对于镓类液态金属的性质描述，你会怀疑是不是在看一部科幻大片。镓的熔点在30摄氏度左右，搁在手中甚至就会化掉。另一方面，镓由很难冻成固体，是因为往往会出现“过冷”现象。所谓的“过冷”，是指即便温度降到熔点一下，如果不受扰动，镓就会维持液体性状。而一旦受到扰动，则相当于认为引入了结晶成核位点，镓就迅速固化。

镓还有其他一些科幻般的性质，比如在超过2000度温度范围内都是液态；另外当其固化时则会膨胀。所以，镓拥有几乎为零的蒸汽压，这意味着它在真空下也不会挥发——这种性质一般属于粘稠液体，但镓的粘度却仅仅是水的两倍而已。

不过，镓最炫酷的性质莫过于其表面化学性质。镓或其合金接触空气后，马上会在其表面生成成分为Ga2O3的纳米级薄膜，对内部金属起到了物理保护的作用。借助于针头，研究者可以把镓金属画成任意图案，并可以保持其固定形状，这种过程有点像在蛋糕上点缀糖霜——只不过这里的“糖霜”是金属，而画作可以是电子电路。画的过程中要分外小心，一旦图案过于密集，表面保护膜便会受损，液态金属便会流动，直到新的保护膜形成。

面点师在制作蛋糕图案的时候，要掌握点缀器嘴的种类、喷点的速度以及其他各种条件。而液态金属研究者在制作金属图案的时候，跟这个有点像。两年前，Kramer领导的研究小组在研究eGaln合金的时候，详细考究了喷嘴直径、流动速率、针-面间距对金属图案的影响，eGaln是以质量3:1混合的镓铟合金，熔点在15.5℃。

借助于机械化电脑平台，该研究小组可以在玻璃或者聚合物PDMS表面画出各种图案。随后，研究者使用显微镜来研究了氧化物保护膜与其基底表面的关系。他们发现，图案可以稳定地存在，这是因为氧化物层与基底的结合倾向要比合金穿过保护膜彼此溶合的倾向还要大。有了这些初步发现，他们可以进一步地优化其图案打印方案。

研究者随后展示出了液态金属可以制作一些功能性器件——比如应力计。通过测量电路导电能力的变化，应力计可以测出一种材料发生形变的大小。

可穿戴设备的福音

镓金属表面的氧化物保护膜不仅使得液态金属维持其形状，也为其改变形状提供了可能。Dickey’领导的研究小组利用这样的特点发明了一种可以自制任何形状液态金属的方法。研究者把eGaIn先涂布在可伸展的高分子材料表面，由于二者之间有着一定的粘结力，当拉伸高分子材料的时候，液态金属也可被拉伸。这样的方式不需要任何复杂的专业设备，可以生产出细达10微米的液态金属线。这种技术在柔性电子设备的设计上有着很广阔的应用前景。

嵌套在高分子材料中，液态金属可被拉伸

还有一些研究者利用液态金属与高分子进行掺杂，使得高分子材料获得导电性。要实现这样的转变，传统的方法包括在高分子中掺杂炭黑、碳纳米管或金属粒子，但这些方法无一例外都会让高分子材料变硬变脆。而使用液态金属则可以克服上述难题。Carnegie Mellon University的Carmel Majidi是把这个特点玩到极致的人。在一项最新研究中，他们将galinstan（镓、铟、锡的合金）与PDMS进行共混，金属液滴以微米级的尺寸分布在高分子之中。这时材料还无法导电，一旦使用一些尖锐的笔尖在其上绘出一些图案，里面的金属液滴就会彼此融合，因此。就可以“画出”一个导电电路。

液态金属的上述诸多性能使得它与柔性电子设备的制造相契合。Swiss Federal Institute of Technology的Stéphanie P. Lacour研究小组结合液态金属发明了一种可穿戴设备。

与大多数人使用的液体沉积方法不同，该小组为了可以与标准的半导体制造技术相兼容，使用的是气相沉积技术。他们首先在薄膜上喷涂一层金，随后将镓蒸镀于其上，得到了一种具有连续两相的膜材料。这样的技术可以让我们的穿戴品更加炫酷，可以设计出具有LED堆积层的器件，亦或是可以感受手指微小活动的手套。

液态金属的研究方兴未艾。但是，液态金属也有其固有缺点，比如其特殊的表面张力、粘度和密度造成了与现有的液体加工技术是不兼容的。但这些困难并不会减慢人们探究它的脚步，越来越多的研究者正在走进这个领域，想一窥液态金属迷人的风采！

参考文献：

1. Adv. Funct. Mater. 2014, DOI: 10.1002/adfm.201303220

2. Extreme Mech. Lett. 2016, DOI: 10.1016/j.eml.2016.03.010

3. Adv. Mater. 2015, DOI: 10.1002/adma.201405256

4. Adv. Mater. 2015, DOI: 10.1002/adma.201404790

5. Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201506234

6. Lab Chip 2016, DOI: 10.1039/c6lc00198j