高性能液态金属打印墨水介绍

清华大学与中国科学院理化技术研究所联合小组，报道了室温液态金属如镓基合金液滴可在外加电场激励下吞噬微/纳尺度金属颗粒的现象［64］。实验发现，金属液滴可在溶液环境中借助电场或化学物质的激励作用将周围金属颗粒吞入体内，如同细胞生物学界的胞吞效应，效率极高，这一发现也因此开辟了一条构筑高性能纳米金属流体材料的快捷途径［65］。

众所周知，胞吞效应是生物界演化出的一种细胞吞噬外界颗粒的基本行为，普遍存在于从单细胞生物到各种高等生物体系中。比如，变形虫可通过胞吞作用来获取营养物质，而高等生物则依靠巨噬细胞的吞噬作用来清理细胞残骸。在本研究中，与外来物跨越细胞膜类似，颗粒进入液态金属内部的先决条件是必须克服同时存在于固/液两种金属相界面上的氧化膜的阻碍。对此，Tang等［64］提出并证实了3类激励机制以实现液态金属的胞吞作用，即电阴极极化、辅助金属物极化及化学物质触发（图2.8）。研究分别揭示出在酸性、碱性和中性溶液环境中实现液态金属胞吞作用的规律。其中，通过外加电场产生阴极极化的方法具有快捷可控、易于操作等优点，因此也更具普适性。进一步研究还发现，支配液态金属胞吞现象的机制在于固/液两金属相之间的润湿作用。Tang等［64］为此建立了旨在定量刻画固/液两金属相之间接触关系普遍规律的理论模型，较好地解释了实验结果，并估算出不同材料颗粒胞吞作用的能垒，进一步预测了有关颗粒材料的吞噬作用能否自发进行。文章同时还指出，金属间的反应性润湿是胞吞作用得以推进的另一关键因素［65］。

图2.8　液态金属吞噬颗粒效应及三类技术实现途径［64］

a.HC1溶液直接滴定触发；b.NaCl溶液电场触发；c.NaOH溶液中铝块化学物质触发。(www.xing528.com)

液态金属系列吞噬效应的发现，展示出了十分丰富的科学内涵，其同时对于规模化制备超级液态物质如极高导热率界面材料、高导电性电子墨水以及强磁性液态金属等尤具实际价值。一方面，该发现使得不同金属颗粒得以高效分散加载到液态金属相中去，由此可以按照设计需求来人为增强或改善液态金属的某些物理化学特性；另一方面，该效应也使得液态金属可通过结合特定微/纳米颗粒来获得全新属性［65］。

结合液态金属胞吞效应并采用真空干燥的方法快速排除液态金属混合物中的溶液成分，Tang等［66］得到了均匀、稳定的功能物质（图2.9）。结果表明，通过在液态金属中可控性掺入不同比例的铜颗粒，可研发出一系列物态介于液体和固体之间的金属混合物。系列测试揭示出这些材料具有显著的电学、热学及力学性能：在20%的颗粒质量掺比情况下，分别可获得相对于液态金属约80%的电导率增强和约100%的热导率增强。与此同时，研究还发现，颗粒物的掺入显著提升了材料对各种基底表面的黏附性以及材料自身的可塑性。这些性质的增强和改变，使得液态金属混合材料在印刷电子电路、3D快速塑形、增材制造以及界面热管理等领域的应用优势更为突出。同时，这种材料可控增强与设计方法的建立，也使得未来制备用以满足特殊需求的液态金属功能材料成为可能。

图2.9　液态金属混合材料的结构及打印图案［66］

a.液态金属混合材料的结构示意图；b.在不同基底上的打印图案。