彩色荧光化液态金属和仿生变色龙机器

自然界生物系统中存在着许许多多让人叹为观止的色彩现象。变色龙靠调节皮肤表面的纳米晶体，在伪装、求偶和传递信息的过程中表现出了非凡的变色能力。人类期待从大自然中得到灵感，制造仿生机器人，从而更好地模仿、适应自然。

笔者实验室Liang等［3］，提出并实现了一种基于荧光液态金属的可变形仿生变色龙，通过将液态金属包覆微/纳米荧光颗粒制备了稳定的彩色荧光液态金属，采用特定控制可形成不同尺度的荧光液态金属液滴“弹珠”（图3.5）。该荧光金属液滴能对电场响应并自发变成各种形状，不同荧光的液态金属液滴还能有效实现自身融合、分离。有趣的是，通过电刺激能成功地触发该荧光液态金属液滴不断释放出内部的微/纳米荧光颗粒，这些仿生型变色功能可模拟自然界的变色龙。此项研究在液态金属领域实现了金属的荧光化与自发发光行为，有望打开多项应用领域，可望渗透到荧光液态金属生物造影、荧光柔性机器人、荧光液态金属电路打印、荧光液态金属3D打印等较广行业。

图3.5　实验室制备出的彩色荧光液态金属［3］

液态金属在空气中能自发氧化形成一层超薄氧化层（图3.6），从而阻止金属与空气接触而继续氧化。该氧化层改变了液态金属的表面张力和润湿性能，其独特的高黏附性能有效地包附WO3、TiO2、碳纳米管、半导体或药物等纳米材料，从而赋予液态金属一些独特的电化学、光化学或载药功能。部分金属（Al、Cu、Mg、Fe等）纳米颗粒可直接与液态金属反应形成新的物质，赋予液态金属磁性、自驱动或光热转化等功能。液态金属一般呈现单一的银白色，上述研发的众多功能中大多未涉及其外表的彩色功能。若能通过微颗粒添加改变液态金属的外表，将大大提升其独特性能。

图3.6　液态金属表面氧化层黏附彩色荧光物质［3］

a.示意图；b.实物图。

通过在液态金属中可控性地掺入不同荧光的稀土微/纳米颗粒，一系列不同荧光色的液态金属得以在笔者实验室被研发出来［3］。将高纯度的液态金属GaIn24.5合金和800 nm～20 μm尺度的荧光稀土颗粒按一定比例升温混合，通过不同的制备方法控制，可形成直径400 μm～3.5 cm的荧光液态金属液滴“弹珠”。液态金属液滴对微/纳米颗粒的负载量约为0.6%。(www.xing528.com)

紫外光激发一段时间后，这些金属液滴能在黑暗中稳定地发射各种明亮的紫、绿、橙、蓝色荧光（图3.7）。微/纳米荧光颗粒能在液态金属表面保持稳定，与其表面带褶皱的、高黏附性的氧化表皮有关。该荧光金属液滴保持了液态金属原有的优良电导率、柔性、高导热性等功能和物理化学性质，不同尺度、颜色的荧光金属液滴之间还可以不断地产生劈裂、合并、吞噬和自旋运动。

图3.7　彩色荧光液态金属弹珠光谱特性［3］

值得指出的是，在电刺激的作用下，该荧光液态金属的形状和外表颜色均可发生改变，很好地模拟了自然界变色龙的行为。研究发现［3］，当把铜电极的阴极插入荧光液态金属液滴时，液滴会持续不断地释放各种颜色的荧光微粒（图3.8），仿佛“天女散花”一般，直至金属内部微粒全部释放，此时裸露金属液滴变为银白色。深入的释放机制与液态金属在不同电解溶液中的电化学反应和表面形成的双电层引发的“Marangoni流”有关。此外，电压的改变也可导致荧光金属液滴的表面张力和黏附力发生改变，从而引发荧光微粒的加速释放。

图3.8　阴极刺激液态金属触发荧光释放［3］

通过在不同的酸碱溶液中使用不同电极的刺激，荧光液态金属还可完成一系列的运动、变形、变色等活动（图3.9）。

图3.9　含有荧光半球的液态金属在电极间运动［3］