轻量化电磁性多孔液态金属柔性材料的研究

笔者实验室的Wang等［9］，在Materials Horizons上以封面论文形式发表了一篇题为“PLUS-M：基于多孔液态金属的普适性柔性材料”的学术论文，报道了所提出并研制的一种基于液态金属镓铟合金即EGaIn的新型柔性多功能材料，其可以响应外界热刺激（图2.10），具有良好的导电性和磁性，内部会产生气体生成多孔结构，极限情况下可快速膨胀至原体积的7倍以上，膨胀后的多孔金属甚至可携带重物漂浮于水面。此类新材料系首次被创造出来，其制备机理的发现可将液态金属智能材料与装备的研发推向新的高度。

图2.10　PLUS-M制备过程（a）及其在水中膨胀漂浮的情形（b）与内部结构（c—e）［9］

传统的多孔金属材料如泡沫铝大多为刚体结构，因拥有低密度、高强度及良好的隔热、吸声等特性，在建筑、化工及航空等领域有着广泛用途，但经典的固体多孔金属材料不具备变形性，其内部孔隙结构一旦形成就不再能改变，这无疑限制了其在柔性技术领域的应用。Wang等的工作揭示出［9］，通过在液态金属内部加载铁纳米颗粒并引入化学反应机制（图2.10），可快速制造出柔性多孔金属材料，其孔径大小可灵活调控，且体积膨胀后还可再度迅速恢复成液体状态，经受加热时能够多次重复膨胀。这些特性为制造新型水下可变形机器、柔性机械臂、外骨骼以及发展柔性智能机器人技术打开了新的思路。

实验中，可以看到，在加热条件下，PLUS-M可在内部迅速形成孔隙结构，在几分钟内即可膨胀至原先体积的数倍［9］。此种液态金属材料轻量化所带来的效果足以将金属块这样的重物携带至溶液表面（图2.11）。在此过程中，材料自身还可由液体逐渐转变为膏状物，在经过NaOH溶液处理并烘干后，可得到异常坚硬的多孔金属材料。值得注意的是，在此固体材料上再次添加盐酸并搅拌，可使其重新恢复至液体状态。这种液固转换过程可重复100次以上，说明PLUS-M是一种性能优异的可重复使用的柔性多孔金属材料。

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图2.11　PLUS-M随温度响应出现快速膨胀继而携带重物上浮的情形（a—c）及原理（d）［9］

进一步的试验与理论分析表明，PLUS-M的成因与原电池反应及氧化物的生成有关。镓铟合金与铁颗粒构成了某种原电池，在电解质溶液中会发生反应生成氢气。加热则加快了氧化过程，生成的氧化镓增加了材料的黏度，可包裹内部不断产生的气体形成多孔结构。由于主要反应物镓是两性金属，该反应在酸、碱溶液中均可发生，大大扩展了新材料的应用范围。

PLUS-M具有良好的适形性能和优良的导电性能，基于此材料的“自生长”特性，研究小组展示了一组可以定时连接点亮LED灯的电路［9］。断开的电路中间是一段不规则的管道，在管道一段置入PLUS-M，则材料沿着管道的快速膨胀会依序触发电路的逐级连通（图2.12）。今后，此类材料还有望用于4D打印电路领域。

图2.12　PLUS-M膨胀过程中顺序联通LED电路的情形［9］

a.示意图；b、c.实物图；d.依序联通情形。