香港城市大學(xué)在液態(tài)金屬力學(xué)超材料領(lǐng)域取得進展

來源：摩方材料

1991年上映的科幻電影《終結(jié)者2》描繪了一個能夠隨意變形，可自我修復(fù)的液態(tài)金屬機器人T-1000，展現(xiàn)了液態(tài)金屬應(yīng)用的無限可能。電影中液態(tài)金屬機器人是邪惡的化身，在實際應(yīng)用中，液態(tài)金屬卻大有裨益，特別是在小尺度一些精密的應(yīng)用上，如神經(jīng)纖維修復(fù)和微型機器人。然而直接暴露的液態(tài)金屬不易操作，且容易腐蝕其他金屬，應(yīng)用不當(dāng)會帶來不良后果，有鑒于此，香港城市大學(xué)“納米制造實驗室”的科研團隊正在嘗試在微觀尺度上“駕馭”液態(tài)金屬，使得其為未來精密應(yīng)用，特別是金屬力學(xué)超材料帶來更多新的可能。

目前的金屬微點陣力學(xué)超材料具有超輕、高比強度等特性，在無人機機翼、小微型電子器械等器件上具有很好的應(yīng)用前景。但是，目前這類力學(xué)超材料的韌性較差，且在服役過程中容易脆斷失效。為了提高韌性，香港城市大學(xué)機械工程學(xué)系陸洋教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)了液態(tài)金屬-聚合物微點陣力學(xué)超材料。該材料不僅有良好的韌性，而且充分利用低溫度范圍下液態(tài)金屬的特性，實現(xiàn)了類似科幻電影中復(fù)雜形態(tài)液態(tài)金屬的自我修復(fù)功能。該項研究成果發(fā)表在國際知名期刊《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202004190）。

該團隊基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機nanoArch S140打印出中空的聚合物外框，壁厚100-300 μm。采用真空液體填充技術(shù)在聚合物薄殼中注入液態(tài)金屬鎵（Ga），首次制備了液態(tài)金屬-聚合物核殼結(jié)構(gòu)的微點陣力學(xué)超材料。該材料具有以下特點：

良好的斷裂韌性

圖2 液態(tài)金屬-高分子點陣力學(xué)超材料良好的斷裂韌性

良好的斷裂韌性。相比于實心或空心高分子點陣結(jié)構(gòu)，液態(tài)金屬-高分子點陣力學(xué)超材料避免了受壓過程中的脆斷失效現(xiàn)象。這是由于Ga的存在，阻礙了裂紋在高分子外殼中的擴展，使得該結(jié)構(gòu)在裂紋出現(xiàn)后依然可以承受載荷。

形狀記憶效應(yīng)

圖3 液態(tài)金屬-高分子點陣力學(xué)超材料良好的形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶效應(yīng)。得益于Ga較低的固液轉(zhuǎn)變溫度（29.7℃），當(dāng)Ga為固態(tài)時，能夠完美的保持變形后形狀；Ga融化后，該結(jié)構(gòu)又能完美的恢復(fù)至原始形貌，表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)采用合理的拓撲結(jié)構(gòu)，該材料被大幅壓縮20%后，依然能夠完美的恢復(fù)。

優(yōu)異的斷裂恢復(fù)性

  圖4 液態(tài)金屬-高分子力學(xué)超材料優(yōu)異的斷裂恢復(fù)能力

優(yōu)異的斷裂恢復(fù)性。即使部分斷裂后的液態(tài)金屬基微點陣結(jié)構(gòu)超材料依然能夠基本恢復(fù)原始形狀，并且能夠保持一定的承載性能(≥50%初始強度)。部分斷裂的高分子外殼在Ga融化后恢復(fù)至原始狀態(tài)，驅(qū)動整體結(jié)構(gòu)恢復(fù)至原始形狀。

綜上所述，被3D打印包裹“駕馭”的液態(tài)金屬核心表現(xiàn)出良好的韌性、形狀記憶效應(yīng)及優(yōu)異的斷裂恢復(fù)能力。這種新型的液態(tài)金屬基微點陣力學(xué)超材料有望在生物醫(yī)療器械、微電子器件及微型機器人等應(yīng)用獲得巨大的潛力，甚至實現(xiàn)一些以往在《終結(jié)者》或者《變形金剛》等科幻電影里才能看到的前沿應(yīng)用場景。