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  自然界存在著各種類型的形變運動，從花朵的盛開到鳥類的翱翔，蘊藏著無窮形變的奧秘。通過分析生物的形變機制、模仿自然界中的生物體，科學家開發(fā)出一系列基于新型材料和技術的人工系統(tǒng)，促進了機械臂、微型馬達和智能機器人等領域的快速發(fā)展。形狀變化是所有運動的基礎。目前，形變系統(tǒng)很大程度上依賴于體系的特殊結構，如各類折紙結構，以及新型功能材料的開發(fā)，包括刺激響應型聚合物、液晶彈性體、水凝膠以及形狀記憶合金等。

  近年來，液態(tài)金屬已經作為新一代刺激響應形變材料嶄露頭角。研究表明，液態(tài)金屬能夠響應多種類型的外部條件刺激，包括電場、化學場、光能、機械力以及電化學刺激等方式通過對表面氧化物的調控改變材料的表面張力以實現(xiàn)各類型的形變。目前，這些刺激響應的形變現(xiàn)象已經應用在柔性電子、藥物遞送、自驅動柔性機器等領域。雖然液態(tài)金屬柔性的內核致使材料形變的發(fā)生比較容易，然而維持這種形變還需要外部能量的不斷供給。另一方面，基于液態(tài)金屬的更多種類的刺激響應方式還有待進一步開發(fā)以拓展其應用范疇。室溫環(huán)境是各類刺激響應形變發(fā)生的常見條件，相比之下，低溫物質科學卻蘊含著大量的未知。尤其，低溫是各類冰晶生長、室溫流體液固相轉變的條件，對液態(tài)金屬低溫刺激，又會產生怎樣的奇特現(xiàn)象呢？

  近日，來自中國科學院理化技術研究所與中國農業(yè)大學的聯(lián)合團隊報道了雙流體系統(tǒng)中液態(tài)金屬微液滴的低溫超快速（毫秒級別）、大尺度（13.8%）、劇烈的（形成裂紋）形變現(xiàn)象，研究人員系統(tǒng)分析了材料形變的機制及影響因素，最后將其應用在柔性液體電路中。在低溫刺激下，雙流體系統(tǒng)中水溶液率先結成固態(tài)冰晶，同時液態(tài)金屬微液滴受困于堅硬冰晶之中，隨著體系溫度進一步降低，液態(tài)金屬微液滴發(fā)生固液相轉變協(xié)同體積膨脹，迅速的應力釋放隨即促成液態(tài)金屬微液滴的劇烈形變現(xiàn)象。其中，實驗理論估算微液滴的低溫應力釋放可達6.3MPa。研究人員在實驗中建立了液態(tài)金屬雙流體系統(tǒng)的分析平臺，分析了液態(tài)金屬微液滴形變的影響因素，包括體系的降溫速率、微液滴的尺寸以及周圍溶液的組成成分等。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬微液滴在低溫下能夠由于形狀結構的改變，互相導通連接，可以應用在低溫相應的柔性液體電路中。研究成果以題為”Low-temperature triggered shape transformation of liquid metal microdroplets”發(fā)表于國際知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上，中國科學院理化技術研究所博士后孫旭陽為本文第一作者，中科院理化技術研究所雙聘研究員/清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系劉靜教授，與中國農業(yè)大學何志祝教授為共同通訊作者。

圖一 低溫下液態(tài)金屬微液滴的形變

（a）低溫實驗設備以及液態(tài)金屬微液滴的形變現(xiàn)象示意圖；

（b）由液態(tài)金屬微液滴與水溶液所組成的雙流體系統(tǒng)的低溫DSC測試結果；

（c）液態(tài)金屬微液滴的尺寸與其形變溫度的關系；

（d）雙流體系統(tǒng)的相變階段示意圖。

圖二 液態(tài)金屬微液滴的形變類型

（a）四種液態(tài)金屬微液滴的形變類型示意圖；

（b）單個液態(tài)金屬微液滴的低溫形變（b1對應類型1，b2對應類型4）；

（c）在低溫以及復溫后的液態(tài)金屬液滴不同的形狀；

（d）高速顯微鏡下拍攝到的液態(tài)金屬微液滴的低溫形變（d1對應類型2，d2對應類型3）；

（e）不同尺寸液態(tài)金屬微液滴的形變率。

圖三 周圍溶液中DMSO的含量對液態(tài)金屬微液滴形變的影響

（a）單個液態(tài)金屬液滴在去離子水中與在DMSO溶液中；

（b）不同DMSO混合液的DSC測試結果；

（c）三種不同溶液的相變溫度；

（d）液態(tài)金屬微液滴在去離子水溶液和DMSO混合液中的形變示意圖；

（e）液態(tài)金屬微液滴在三種不同溶液中的形變率；

（f）（g）（h）單個液態(tài)金屬微液滴在不同DMSO混合液中的形變類型。

圖四 基于雙流體系統(tǒng)的溫控開關

（a）雙流體系統(tǒng)中液態(tài)金屬微液滴在低溫下連成導通環(huán)路的形變示意圖；

（b）低溫下系統(tǒng)的阻抗改變；

（c）（d）（e）低溫下不同形狀的液態(tài)金屬液體電路。

  該文首次發(fā)現(xiàn)了雙流體系統(tǒng)中液態(tài)金屬微液滴的低溫超快速（毫秒級別）、大尺度（13.8%）、劇烈的（形成裂紋）形變現(xiàn)象，通過實驗分析闡明了液態(tài)金屬微液滴從液態(tài)到固態(tài)的相變是該形變的主要原因。相關實驗表明了體系的降溫速率、溶液的組成成分可以通過改變周圍的固態(tài)冰晶的形成而影響微液滴的形變。隨著體系的降溫速率減慢，冰晶更加堅硬，材料的形變被明顯抑制。另外，DMSO混合液可以通過影響冰晶的硬度與調控溶液的相變溫度兩方面影響液態(tài)金屬微液滴的相變。最后，該雙流體系統(tǒng)作為溫控傳感應用在柔性液態(tài)電路中。該研究工作建立了液態(tài)金屬雙流體體系的分析平臺，為后續(xù)材料的低溫相變、熱管理、應力釋放等研究建立了基礎。

  文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c10409

  本文由中科院理化所和中國農業(yè)大學的聯(lián)合團隊供稿。