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  自然界存在著各種類型的形變運動，從花朵的盛開到鳥類的翱翔，蘊藏著無窮形變的奧秘。通過分析生物的形變機制、模仿自然界中的生物體，科學(xué)家開發(fā)出一系列基于新型材料和技術(shù)的人工系統(tǒng)，促進了機械臂、微型馬達和智能機器人等領(lǐng)域的快速發(fā)展。形狀變化是所有運動的基礎(chǔ)。目前，形變系統(tǒng)很大程度上依賴于體系的特殊結(jié)構(gòu)，如各類折紙結(jié)構(gòu)，以及新型功能材料的開發(fā)，包括刺激響應(yīng)型聚合物、液晶彈性體、水凝膠以及形狀記憶合金等。

  近年來，液態(tài)金屬已經(jīng)作為新一代刺激響應(yīng)形變材料嶄露頭角。研究表明，液態(tài)金屬能夠響應(yīng)多種類型的外部條件刺激，包括電場、化學(xué)場、光能、機械力以及電化學(xué)刺激等方式通過對表面氧化物的調(diào)控改變材料的表面張力以實現(xiàn)各類型的形變。目前，這些刺激響應(yīng)的形變現(xiàn)象已經(jīng)應(yīng)用在柔性電子、藥物遞送、自驅(qū)動柔性機器等領(lǐng)域。雖然液態(tài)金屬柔性的內(nèi)核致使材料形變的發(fā)生比較容易，然而維持這種形變還需要外部能量的不斷供給。另一方面，基于液態(tài)金屬的更多種類的刺激響應(yīng)方式還有待進一步開發(fā)以拓展其應(yīng)用范疇。室溫環(huán)境是各類刺激響應(yīng)形變發(fā)生的常見條件，相比之下，低溫物質(zhì)科學(xué)卻蘊含著大量的未知。尤其，低溫是各類冰晶生長、室溫流體液固相轉(zhuǎn)變的條件，對液態(tài)金屬低溫刺激，又會產(chǎn)生怎樣的奇特現(xiàn)象呢？

  近日，來自中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的聯(lián)合團隊報道了雙流體系統(tǒng)中液態(tài)金屬微液滴的低溫超快速（毫秒級別）、大尺度（13.8%）、劇烈的（形成裂紋）形變現(xiàn)象，研究人員系統(tǒng)分析了材料形變的機制及影響因素，最后將其應(yīng)用在柔性液體電路中。在低溫刺激下，雙流體系統(tǒng)中水溶液率先結(jié)成固態(tài)冰晶，同時液態(tài)金屬微液滴受困于堅硬冰晶之中，隨著體系溫度進一步降低，液態(tài)金屬微液滴發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變協(xié)同體積膨脹，迅速的應(yīng)力釋放隨即促成液態(tài)金屬微液滴的劇烈形變現(xiàn)象。其中，實驗理論估算微液滴的低溫應(yīng)力釋放可達6.3MPa。研究人員在實驗中建立了液態(tài)金屬雙流體系統(tǒng)的分析平臺，分析了液態(tài)金屬微液滴形變的影響因素，包括體系的降溫速率、微液滴的尺寸以及周圍溶液的組成成分等。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬微液滴在低溫下能夠由于形狀結(jié)構(gòu)的改變，互相導(dǎo)通連接，可以應(yīng)用在低溫相應(yīng)的柔性液體電路中。研究成果以題為”Low-temperature triggered shape transformation of liquid metal microdroplets”發(fā)表于國際知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所博士后孫旭陽為本文第一作者，中科院理化技術(shù)研究所雙聘研究員/清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授，與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)何志祝教授為共同通訊作者。

圖一 低溫下液態(tài)金屬微液滴的形變

（a）低溫實驗設(shè)備以及液態(tài)金屬微液滴的形變現(xiàn)象示意圖；

（b）由液態(tài)金屬微液滴與水溶液所組成的雙流體系統(tǒng)的低溫DSC測試結(jié)果；

（c）液態(tài)金屬微液滴的尺寸與其形變溫度的關(guān)系；

（d）雙流體系統(tǒng)的相變階段示意圖。

圖二 液態(tài)金屬微液滴的形變類型

（a）四種液態(tài)金屬微液滴的形變類型示意圖；

（b）單個液態(tài)金屬微液滴的低溫形變（b1對應(yīng)類型1，b2對應(yīng)類型4）；

（c）在低溫以及復(fù)溫后的液態(tài)金屬液滴不同的形狀；

（d）高速顯微鏡下拍攝到的液態(tài)金屬微液滴的低溫形變（d1對應(yīng)類型2，d2對應(yīng)類型3）；

（e）不同尺寸液態(tài)金屬微液滴的形變率。

圖三 周圍溶液中DMSO的含量對液態(tài)金屬微液滴形變的影響

（a）單個液態(tài)金屬液滴在去離子水中與在DMSO溶液中；

（b）不同DMSO混合液的DSC測試結(jié)果；

（c）三種不同溶液的相變溫度；

（d）液態(tài)金屬微液滴在去離子水溶液和DMSO混合液中的形變示意圖；

（e）液態(tài)金屬微液滴在三種不同溶液中的形變率；

（f）（g）（h）單個液態(tài)金屬微液滴在不同DMSO混合液中的形變類型。

圖四 基于雙流體系統(tǒng)的溫控開關(guān)

（a）雙流體系統(tǒng)中液態(tài)金屬微液滴在低溫下連成導(dǎo)通環(huán)路的形變示意圖；

（b）低溫下系統(tǒng)的阻抗改變；

（c）（d）（e）低溫下不同形狀的液態(tài)金屬液體電路。

  該文首次發(fā)現(xiàn)了雙流體系統(tǒng)中液態(tài)金屬微液滴的低溫超快速（毫秒級別）、大尺度（13.8%）、劇烈的（形成裂紋）形變現(xiàn)象，通過實驗分析闡明了液態(tài)金屬微液滴從液態(tài)到固態(tài)的相變是該形變的主要原因。相關(guān)實驗表明了體系的降溫速率、溶液的組成成分可以通過改變周圍的固態(tài)冰晶的形成而影響微液滴的形變。隨著體系的降溫速率減慢，冰晶更加堅硬，材料的形變被明顯抑制。另外，DMSO混合液可以通過影響冰晶的硬度與調(diào)控溶液的相變溫度兩方面影響液態(tài)金屬微液滴的相變。最后，該雙流體系統(tǒng)作為溫控傳感應(yīng)用在柔性液態(tài)電路中。該研究工作建立了液態(tài)金屬雙流體體系的分析平臺，為后續(xù)材料的低溫相變、熱管理、應(yīng)力釋放等研究建立了基礎(chǔ)。

  文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c10409

  本文由中科院理化所和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的聯(lián)合團隊供稿。