中國粉體網(wǎng)訊 司馬遷在《史記·秦始皇本紀》中描述秦始皇陵時說:“以水銀為百川江河大�！彼鏊y是化學元素汞的俗稱，它就是我們今天要聊到的一類神奇材料“液態(tài)金屬”中的一種。
液態(tài)金屬是一系列熔點低于或接近室溫的金屬或金屬合金材料的統(tǒng)稱，它在室溫或較低的加熱溫度下呈現(xiàn)出一種可流動、不定型的液體狀態(tài)。常見的液態(tài)金屬有銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)、汞(Hg)和鎵(Ga)等。
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然而，Rb、Cs、Fr的放射性和高化學活潑性，Hg具有易揮發(fā)性和高毒性，限制了它們在實際生活中的廣泛應(yīng)用。
不過，熔點為29.76℃的31號元素鎵比較特別，它不但具有很好的導電性和導熱性，而且生物毒性很低。所以，目前科學家們研究最為廣泛的是以金屬鎵及其合金為代表的液態(tài)金屬。
常溫液態(tài)金屬在不同介質(zhì)中的界面效應(yīng)
液態(tài)金屬的出現(xiàn)，被視為人類利用金屬的第二次革命，在航空航天、精密機械、消費電子、醫(yī)療、3D打印等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
01.液態(tài)金屬的絕活：“炫酷”技能
很多人對液態(tài)金屬應(yīng)用的最大印象，莫過于科幻影片《終結(jié)者2》，電影中機器人T-1000可以變成液體鉆過門縫，也可以忽然迅速聚攏，變成了一個可以自動修復的無敵機器人戰(zhàn)士，展現(xiàn)出了液態(tài)金屬柔韌性，包括可變形性、可拉伸性和自愈能力等。
液態(tài)金屬的表面張力非常高，鎵基液態(tài)金屬的表面張力大約是水的10倍。也正是因為此特性，導致它會出現(xiàn)一些非常有意思的現(xiàn)象。比如說，我們將兩個液態(tài)金屬液滴融到一起時，它們就會產(chǎn)生收縮、變形，好像是一根液體彈簧一樣。
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液態(tài)金屬還具有很好的導電性，因此可以通過磁場來操控它們——把磁性顆粒物質(zhì)跟液態(tài)金屬結(jié)合起來，就可以獲得磁性液態(tài)金屬。在外界磁場作用下，這種磁性液態(tài)金屬的表面可以長出棱角，并且在磁場的作用和操控下能夠進行簡單的攀爬。
迄今為止，液態(tài)金屬最讓人匪夷所思的一個現(xiàn)象就是它具有自驅(qū)動效應(yīng)。在清華大學的一項研究中，液態(tài)金屬鎵安靜地躺在裝有溶液的器皿中，看上去毫無生氣，但是，將一塊鋁箔放進去之后，液態(tài)金屬開始變得不安分起來，它將鋁箔慢慢“吞噬”到自己體內(nèi)，并且迅速地動了起來，在盛裝它的器皿內(nèi)跑動。
總之，諸多神奇的性能讓液態(tài)金屬材料在柔性機器人、芯片制造、電子信息、能源、先進制造和生物醫(yī)學等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。
02.散熱領(lǐng)域的顛覆性變革
電子元器件不斷朝小型化、高功率化方向發(fā)展，導致電子元器件在運行過程中發(fā)熱和溫升顯著，嚴重影響了元器件的工作可靠性和使用壽命，目前熱界面材料與液冷技術(shù)是常見的散熱方案。
液態(tài)金屬作為同時兼具流動性、高導熱性、高體積相變潛熱的材料，正給先進散熱技術(shù)的發(fā)展帶來了顛覆性變革。
熱界面材料
熱界面材料通常是聚合物復合材料，即以聚合物為基體，添加導熱填料制備而成。由于導熱填料都以固體顆粒的形式填充到聚合物基體中，因此，為獲得較高的熱導率，所需固體填料的體積分數(shù)通常較高。但加入過量的固體顆粒又會使復合材料整體硬化，黏度顯著升高，從而喪失原有的力學性能優(yōu)勢，加工性能變差。
而液態(tài)金屬的出現(xiàn)為此提供了有效的解決方案。液態(tài)金屬作為液態(tài)柔性導熱填料，具有黏度低、流動性好的特點，當液態(tài)金屬用量較大時，復合材料仍可保持較低的黏度和良好的加工性。
就在今年CES 2025上，英偉達最新的Blackwell架構(gòu)顯卡——旗艦GPU GeForce RTX 5090 Founders Edition（創(chuàng)始人版）“輕裝”亮相。為了使其更輕薄，英偉達采用了三片式PCB和雙流通冷卻系統(tǒng)設(shè)計。其中，新冷卻器的顯著特點是使用了液態(tài)金屬熱界面材料（TIM）而不是傳統(tǒng)的硅脂來控制575WTGP的熱設(shè)計功耗，引起了廣泛關(guān)注。
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當然了，液態(tài)金屬用于熱界面材料還未完全成熟，例如其濕潤性較差，因而難以涂抹；特別是鎵基合金，對電子設(shè)備中常用的許多材料（如銅、鋁和焊接材料）具有很強的腐蝕性，可能使設(shè)備退化、可靠性差、維護成本增加。此外，液態(tài)金屬的電導率高，存在溢出導致短路的風險，這些問題是必須解決的。
液冷循環(huán)工質(zhì)
當空氣冷卻無法滿足電子設(shè)備不斷增長的發(fā)熱量時，液冷技術(shù)作為一種新穎有效的散熱技術(shù)應(yīng)運而生。傳統(tǒng)冷卻劑（包括水、油和熔鹽）的傳熱性能（尤其是導熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)）較差，因此無法達到要求的冷卻性能。
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以液態(tài)金屬為循環(huán)工質(zhì)的熱控技術(shù)的主要優(yōu)勢可歸納為3個方面：首先，液態(tài)金屬因其良好的導電性而能夠由電磁泵驅(qū)動，驅(qū)動效率高，能耗低；其次，與水、油和熔鹽等非金屬介質(zhì)相比，液態(tài)金屬具有更高的導熱系數(shù)，因此液態(tài)金屬散熱模塊可以實現(xiàn)更極致的散熱能力；最后，液態(tài)金屬的理化性能穩(wěn)定，可以保證散熱系統(tǒng)高效、長期、穩(wěn)定地運行。
液態(tài)金屬在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用不止于此，低熔點的液態(tài)金屬還可以作為相變材料在散熱領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)對于一個典型的商用閃存來說，大約0.668mL的鎵基相變儲能材料就足以將其溫度保持在29℃以下18min以上，而在相同條件下傳統(tǒng)USB會快速達到42℃以上。
2023年8月“首次液態(tài)金屬空間熱管理在軌試驗”在中國空間站進行，試驗用到了液態(tài)金屬的兩種散熱原理，即對流換熱和固液相變熱控。對流換熱就是利用液態(tài)金屬密度大導熱率高的特性從發(fā)熱表面快速帶走熱量。固液相變熱控是利用低熔點金屬吸熱后熔化以及放熱后凝固這兩個過程中溫度不變的特性將發(fā)熱表面控制在某一合適的溫度。實驗顯示太空環(huán)境重力極微弱，液體金屬不會因溫度造成的密度變化而流動，其內(nèi)部的溫度分布不均勻。太空散熱裝置設(shè)計時必須考慮增加腔體向內(nèi)的傳熱結(jié)構(gòu)。
03.讓傳感材料“繞指柔”
近年來，隨著人工智能可穿戴領(lǐng)域的快速發(fā)展，柔性和可拉伸電子產(chǎn)品引起了人們的廣泛關(guān)注，作為其核心部件的柔性傳感材料已成為一個重要的研究領(lǐng)域。柔性傳感材料是指在彎曲、折疊時能實現(xiàn)對外界信號響應(yīng)的靈敏電子材料。近幾年來，柔性傳感材料在各種應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，涵蓋了可穿戴電子設(shè)備、柔性健康監(jiān)測器、柔性傳感器等。這些創(chuàng)新性的應(yīng)用為人們的日常生活帶來了更多便捷和高效。
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液態(tài)金屬作為一種新型的導電材料，具有高拉伸性、柔韌性和流動性等特點，用于柔性傳感器領(lǐng)域可以大大增強靈敏度和拉伸極限，尤其是鎵基液態(tài)金屬熔點較低，這為實現(xiàn)低溫加工提供了可能性。
04.摩擦領(lǐng)域，環(huán)境越差越潤滑
隨著科技的快速發(fā)展對潤滑條件提出了極高的要求。一些航空機械運動部件，如在高溫和高負荷下運行時，仍然會面臨在極端環(huán)境潤滑不足導致的不可靠性問題。傳統(tǒng)的固體潤滑在應(yīng)用過程中會因為薄膜的破裂和從基底上脫落導致潤滑效果較差，因此出現(xiàn)了很多液體潤滑劑和磁流體潤滑劑等。與固體潤滑相比，液體潤滑具有流動性好、摩擦磨損小、可回收利用等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的液體潤滑劑通常由有機碳氫化合物制成，該材料熱穩(wěn)定性差，在高溫下容易分解，從而使?jié)櫥Ч惶硐搿?/p>
研究發(fā)現(xiàn)，鎵基液態(tài)金屬（GaLMs）在低載荷下表現(xiàn)出較差的抗磨性能，遠遠不如潤滑脂，但在極端條件下表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)和磨損率，可作為極端情況下的潤滑劑。
05.生物醫(yī)療領(lǐng)域：神經(jīng)修復，骨科植入
生物醫(yī)用材料處于醫(yī)療健康領(lǐng)域變革的前沿，Ga基液態(tài)金屬作為一種新興的功能材料具有很好的生物醫(yī)學應(yīng)用前景。GaLMs具有低于或接近體溫的熔點，使其在保留金屬導電、導熱特性的同時具備流體特性，可直接用于制造柔性生物傳感器或用于神經(jīng)和骨骼等的修復，也可制備成微納米顆粒用于藥物負載和疾病治療。
我國科學家曾經(jīng)做過這樣一次實驗。他們把實驗用的牛蛙大腿上的坐骨神經(jīng)切斷，再將液態(tài)金屬注射進去，看是否能夠?qū)⑴Ｍ芤呀?jīng)斷裂的神經(jīng)連接起來。實驗結(jié)果顯示，用液態(tài)金屬重新連接起來的牛蛙神經(jīng)可以很好地傳遞刺激信號，和沒有受傷時的神經(jīng)功能幾乎一模一樣，而且這種柔性的液態(tài)金屬植入到牛蛙體內(nèi)后，在好幾個月的時間里并沒有給牛蛙帶來任何負面的影響。
小結(jié)
隨著液態(tài)金屬一系列革命性應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)，這類以往只被零星研究或只在特殊領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注的材料逐漸進入公眾視野，促成了若干新科學發(fā)現(xiàn)，也打開了諸多變革傳統(tǒng)技術(shù)的大門，正孕育著無盡的科學與技術(shù)前沿。液態(tài)金屬還賦予了我們各種重大技術(shù)暢想，將不斷成為現(xiàn)實。
參考來源：
[1]劉靜.液態(tài)金屬：無盡的科學與技術(shù)前沿
[2]覃惠楊等.液態(tài)金屬/硅橡膠復合材料的應(yīng)用研究進展
[3]江雄等.液態(tài)金屬在電子熱控中的應(yīng)用進展與挑戰(zhàn)
[4]尹富強等.鎵基液態(tài)金屬應(yīng)用的研究進展
[5]張亞娟等.鎵基液態(tài)金屬基柔性傳感材料的制備研究進展
[6]從水銀到鎵，神奇的液態(tài)金屬.趣味科學
[7]劉 洋等.Ga基液態(tài)金屬在生物醫(yī)學應(yīng)用的研究進展
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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