液态金属基础性发现

可变形机器

首次发现电场控制下液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象,相应研究以封面文章发表于Advanced Materials(先进材料)上,论文题为Diverse Transformations of Liquid Metals Between Different Morphologies(不同构象之间的液态金属多变形性)。通过系统的实验,揭示出室温液态金属具有可在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。比如,浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动,乃至发生液球之间的自动融合、断裂-再合并等行为,且不受液态金属对象大小的限制;较为独特的是,一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球,变形过程十分快速,而表面积改变幅度可高达上千倍;此外,在外电场作用下,大量彼此分离的金属液球可发生相互粘连及合并,直至融合成单一的液态金属球;依据于电场控制,液态金属极易实现高速的自旋运动,并在周围水体中诱发出同样处于快速旋转状态下的漩涡对;若适当调整电极和流道,还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。


液态金属大尺度可逆变形的电化学协同控制机制SCHEME

该项研究引入了酸、碱类电解质溶液,揭示了结合电场控制下的液态金属镓在球体和非球体之间的各种可逆转换行为,探明了其中的SCHEME机制及影响因素。研究表明,由于纯镓表面张力极大(约700 mN/m),意味着可在平坦表面上保持球体形态;而氧化镓表面张力则趋近于0,因而可因重力和电学的双重作用而沿水平方向大幅展开。在酸或碱类电解液中,通过加电作用,镓球表面会迅速产生一层氧化镓薄膜,这使其表面张力发生突降,由此实现展开乃至分裂效应;一旦切断电压,之前形成的氧化镓层随即被电解液溶解,从而将纯镓再度暴露于化学溶液中,液态金属物体的表面张力于是自动恢复,变形体随即收缩成最初的球体形状,分裂的液态金属则自动融合。如此,通过变换电压大小和电解液浓度,可以调控液态金属镓的表面张力,进而实现对应的变形和离散幅度,这些基础发现为研制液态金属类柔性机器提供了关键技术支持。


电场诱导的液态金属射流基础现象

该项研究首次发现了一种独特的极低电压诱发的液态金属射流现象,为金属微滴乃至固体颗粒的快速制备和精确操控打开了一条新途径,相应论文发表于美国物理学会《应用物理快报》(Fang et al, Electro-Hydrodynamic Shooting Phenomenon of Liquid Metal Stream, Applied Physics Letters, 105: 134104, 2014)。文章第一作者为前来理化所进行暑期实习的清华大学钱学森力学班大三学生房文强。他们通过实验观察到,在无电压作用时,盛放于容器腔出口毛细管内的液态金属前沿会因表面张力和外界静压的作用而保持静态;一旦施加电场时,浸没于氢氧化钠溶液中的毛细管内液态金属会自动喷射而出形成微滴,仿佛喷泉一般,这些液滴在电场作用下朝着阳极方向快速移动,可控性强,到达后形成“大珠小珠落玉盘”的景象,若将持续生成的液滴冷却收集后即可获得金属固体微粒,整个过程仅需极低电压(2-20V)即可轻易实现;电压越高,金属液滴生成率及移动速率越快。


液态金属增材制造技术

液态金属个人电子电路打印机

液态金属电子电路打印机首次建立了一种全新原理的室温液态金属打印方法,使得在极低成本下快速、随意地制作电子电路成为现实。这一电子电路打印机具有很高的性价比,批量制造后其成本将处于个人可承受范围内,易于普及到家庭、办公室、学校、工厂乃至工业设计、艺术探索、文化创意等应用领域,是极具普适性和基础性的电子制造工具,这预示着电子制造正在步入平民化进程。为展示这一全新技术在广泛领域的价值,研究小组还探明了液态金属电子打印机在近10个方向上的开拓性应用,如复杂大面积柔性PCB、电学传感器、电子艺术、电子装饰、电子化建筑设计、人物肖像、电路单元、电子贺卡、电子图案乃至功能电子器件等的即时打印和制作。这种立等可取的个性化电子制造模式除了将对传统电子工程学带来观念性变革外,也将为科学与艺术、人文、教育、文化创意等的交叉融合创造全新的机遇。


液态金属液相3D打印

首次提出了在液相冷却环境中实现3D打印的学术思想,采用研制的新一代金属墨水,直接在水、酒精等几类溶液中制造出了三维金属构件。与常规的空冷方式相比,液相冷却打印对金属熔融液滴具有降温成型速度快,且能避免或有效减少空气对金属的氧化等优点。这种方法突破了传统3D打印的固有技术范畴,可望在今后的功能器件快速制造领域发挥作用。


液态金属3D机电混合打印

针对传统3D打印难以兼顾金属及普通墨水在熔点上的巨大差异而难以耦合打印组装的不足,研究小组还探索了不同功能材料的相容性和可同时打印性,由此发展了一种旨在直接制造终端功能器件的3D机电混合打印技术,相应研究在线发表于Science China Technological Sciences (Wang and Liu, Vol. 57, doi:10.1007/s11431-014-5657-3, 2014)。在题为“用于直接制造终端功能器件的金属与非金属墨水相容性混合3D打印”(Compatible hybrid 3D printing of metal and nonmetal inks for direct manufacture of end functional devices)的论文中,作者们首次证实了采用低熔点金属墨水(用作制造电子部件)和非金属墨水(用作制造支撑或绝缘封装基底)交替打印和组装功能器件的可行性,通过对材料热流体特性和导电性的对比测试,阐明了不同熔点范围墨水的可混合打印性和匹配特点,并具体结合一个LED发光设备的制造展示了相应的打印和组装过程。迄今,传统3D打印中的导电金属与非导体墨水(如聚合物),由于在熔点上相差数百度甚至近1000°C,难以适时混合打印,这长期成为业界的重大技术挑战。理化所的上述工作开启了一条混合打印的新方向,未来还可发展出更多相容材料和墨水类别,从而使终端功能器件的全程自动制造和组装成为可能。从这种意义上讲,这一技术相当于电子器件的多墨水“彩色打印”。可以预见的是,在未来的3D打印技术中,混合打印将成为必然方向之一。


液态金属生物医学工程应用

液态金属神经连接与修复技术

研究小组首次证实了以液态金属作为高传导性神经信号通路的可行性。通过建立牛蛙腓肠肌模型,采用液态金属连接剪断的神经组织,借助微弱电刺激试验探明了液态金属神经传导的优势。结果表明,利用液态金属连接的神经模型能很好的传递刺激信号,与剪断前的正常神经组织在信号传导方面具有高度的一致性和保真度,显著优于传统的林格氏液。与此同时,由于液态金属在X射线下具有很强的显影性,因而在完成神经修复之后很容易通过注射器取出体外,从而避免了复杂的二次手术。这一方法为神经连接与修复开辟了全新方向。国际上诸多科学媒体纷纷对此加以评介,认为是医学上的突破(Most Amazing Medical Breakthroughs)。


液态金属血管造影术

联合小组基于实验室在液态金属材料与生物医学工程学两个领域的长期研究积累,成功证实了有别于传统血管造影方法的液态金属血管造影方法的高效性。研究表明,以镓为代表的一系列合金材料在室温下呈液态,可在不破坏组织结构的情况下灌注到血管网络中,同时其自身拥有的高密度会对X射线造成很强的吸收作用,因而在X光拍摄或CT扫描中,充填有液态金属的血管会与周围组织形成鲜明对比,由此达到优异的成像效果,而液态金属的流动性和顺应性甚至可以让极细微的毛细血管也能在图像中以高清晰度的方式显现出来。实验发现,当将室温液态金属镓分别灌注到离体猪的心脏冠状动脉以及肾脏动脉中时,重建出的血管网络异常清晰,造影效果远优于临床上常用的碘海醇增敏剂,图像对比度呈数量级提升,揭示的血管细节更加丰富,且造影效果不会如传统增敏剂那样随时间逐步衰减。1年多以来,实验室就离体动物器官进行了多种测试,获得了丰富的数据,而针对小鼠全身血管的重建工作则促成了对有关动物生理学的深入认识。


相态转换型液态金属骨骼

在多年研究中,电子工业上常采用某些合金作为焊料来连接母材和焊件,这与骨水泥充填于假体和骨腔之间的功能相似,而熔点更低一些的合金材料在有关属性上与骨水泥的要求相匹配,于是创造性地将这种材料引入到骨修复领域。经过近1年半时间的系统研究和持续测评,研究小组揭示了所选定低熔点金属骨骼材料的力学性质、热学性质、腐蚀性质、生物相容性及放射显影等诸多特性,初步证实了这一技术在应用上的巨大潜力和综合优势。比如:金属骨水泥免去了传统材料需要预混以完成化学反应的繁琐过程,而其低熔点特性避免了对周围骨组织的热损伤;操作方面,液态金属由于流动性好,采用医用注射器即可完成骨腔灌注,并能快速固化;而且,合金骨水泥在体内甚至是骨内具有优异的放射显影性,便于术中、术后监控。值得指出的是,临床上的骨水泥在使用多年后会发生一定比例的翻修率,翻修过程涉及器械多,对医生技能要求较高,且翻修手术会对患处残留骨造成再次损伤;合金骨水泥的固液相灵活转换特点在此方面发挥了优势,使翻修过程仅通过加热、吸出即能实现可逆操作。此外,虽然金属假体在临床上应用已有数十年,但由于传统金属材料熔点极高,只能在体外加工后植入,此次类似于好莱坞科幻影片《金刚狼》那样的可注射型液态金属骨骼的提出打破了这一限制,实现了原位固化模式的适形修复;而基于这种合金的导电性,还可将其用于某些骨组织的电刺激生长和病灶治疗。这些独特性质表明,综合了金属及非金属材料优势的液态金属骨水泥,有望成为一种重要的生物医用骨科材料。


液态金属外骨骼

基于液态金属的液-固相转换机制,研究小组还在国际上首次提出并证实了一种“液态金属人体外骨骼技术”,相应论文发表于ASME Journal of Medical Devices(Y. G. Deng, J. Liu, Flexible Mechanical Joint as Human Exoskeleton Using Low-Melting-Point Alloy, 8: 044506, 2014)。这种新概念型机械关节存在柔性和刚性两种工作状态。平时工作状态下,低熔点金属吸热熔化并处于液态,柔性程度高,在体穿戴舒适感好,整个机械关节因此可在柔性关节处灵活弯折或扭转,以作为人体外骨骼执行搬运重物动作;一旦需要执行高强度任务如上肢关节运动至需要承重的位置时(人体外骨骼保持搬运动作),关节内的液态金属会在半导体制冷器作用下快速固化变硬,机械关节于是切换至刚性固体状态,整个机械关节装置从而可承受巨大的拉伸或扭转应力,这就有效地缓解了肘关节需要承受的重物拉力。整个工作过程无驱动部件,响应迅速,灵活性好。新技术好比科幻影片《钢铁侠》中所展示的那种盔甲,预计在高柔性、高强度人体外骨骼领域具有广阔的发展前景。


人体皮肤电子电路成型方法

皮肤电子又俗称电子纹身,是近期兴起的热门研究领域,主要用于通过皮肤无创检测生理信号,是柔性电子技术的集中体现。然而,迄今为止,几乎所有的皮肤电子器件均不能直接制作在皮肤上,这会造成大的接触电阻从而降低测试灵敏度。而且,传统的电子导联技术往往需要复杂的加工条件,比较经典者如光刻、刻蚀、溅射等虽有较高精度,但设备相当复杂,且常常必须在高温、高辐射环境下操作,无法直接于皮肤上制作电子器件。已有的柔性电子通常的制造温度也在100℃以上,一些室温技术则要用到诸如紫外光或者化学技术,若直接在皮肤上制造会对人体造成大的伤害。刘静小组的上述工作成功避免了这些不利,他们还深入研究了液态金属在皮肤上的粘附性、导电性和传感应用等相关问题。结果表明,液态金属通过喷印途径可实现理想的粘附性,并且还具备较好的可拉伸电子特性。依据于印制模板的精度,所实现的皮肤电子器件可以达到微米量级。去年,该小组曾在一项液态金属普适打印技术研究论文中展示了在布料、玻璃、塑料、纸张乃至树叶等多种介质上的电路打印,立即被MIT Technology Review予以专题报道,并一度入选知名网站Week’s Top IT Stories,国际上对此配发的评论是:“围绕不同表面打印电路的追逐可以终结了”。本项研究正是前期方法在皮肤电子上的重要推进,开启了在体生物医学电子学的新方向。


液态金属热管理技术

高性能液态金属芯片散热技术

2009年,实验室开始实施高性能液态金属CPU散热器的产业化,在2011年荣获第十三届北京技术市场金桥奖项目一等奖。同年作为首批在京转化落地的北京市重大科技成果,获北京市重大产业化项目支持。实验室将致力于推动液态金属在其他散热领域特别是高热流密度领域散热的应用。

产品性能特征

  1. 远超市面上典型水冷
  2. 性能达到最顶级的CPU散热器“风冷之王”之列
  3. 相对第一代原理性样机,性能提升400%,核心部件成本大幅度降低
  4. 高热流下,性能远超风冷之王,运行更加稳定,可靠

大功率LED液体金属散热器

本实验室经多年开发,自主实现了用于大功率LED散热的新型液态金属散热器,在输出功率100W的LED上,1W泵输入功率和5W电风扇功率条件下(总散热体积为12*15*8cm³),可将温升控制在10°C以内。该项技术可实现的最大散热功率为1000W


基于液态金属循环的热展开器

基于液态金属循环的热展开器,其热展开性能,较热管热展开器与水循环热展开器都是最优的。其典型优点包括:

1.液态金属热导率高,其高效的导热和对流热输运过程共同确保了器件极为优异的热展开性能

2.液态金属可采用电磁泵驱动,驱动结构简单、功耗低、无噪音,而且易于微型化和集成

3.液态金属物化性质稳定,沸点可高达 2400ºC,因此可承受传统方式难以企及的极高热流密度极限。


基于液态金属的热关节

基于液态金属的热关节,可灵活连接两根独立热管,且在折弯、扭转角度变化及震动中,传热能力不发生衰减。液态金属热关节实际上就是一个短距离的液态金属循环。借助合适的泵送方式,流动的液态金属将热量从热管 A 接力至热管 B,实现整个器件的热量传递。因为液态金属环路具有高的柔性,整个器件可以在热关节的位置进行灵活弯折,扭转,同时适用于震动传热领域。为实现热关节的微型化,电磁驱动方式是一种很好的选择。典型的电磁泵由泵基体、磁体和电极构成。在电场和磁场的共同作用下,液态金属受到洛伦兹力而产生垂直于电场和磁场的运动。因为电磁泵结构简单,且无任何运动部件,因此液态金属热关节易于微型化,且能够高效率,零噪音运行。


镓基金属热界面材料

镓基金属热界面材料,其导热率远高出常规热界面材料1个量级,是一种十分理想的热界面材料。


先进能量技术的基本原理和工程学实现途径

基于液态金属的能量捕获技术

首次实现基于液体金属及电磁驱动的余热发电系统。


自驱动式差发电系统及散热装置

该方法可确保只在目标部位释放高强度热量(组织温度最高可达200°C以上),而对周边组织则无明显加热及机械创伤,且毒副作用较小,这是许多传统热疗设备很难作到的。系列离体及在体动物试验,证实了新方法的可行性。


可植入式温差发电技术

可植入式温差发电技术,为低功耗的植入式医疗器械提供了一种永久性的供电方式。


人体能量驱动技术

该技术包括基于人体足部可穿戴式热电驱动方法以及捕获人体行走时动能的鞋底液态金属发电装置。