中国粉体网讯 司马迁在《史记·秦始皇本纪》中描述秦始皇陵时说:“以水银为百川江河大海……”所述水银是化学元素汞的俗称，它就是我们今天要聊到的一类神奇材料“液态金属”中的一种。
液态金属是一系列熔点低于或接近室温的金属或金属合金材料的统称，它在室温或较低的加热温度下呈现出一种可流动、不定型的液体状态。常见的液态金属有铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)、汞(Hg)和镓(Ga)等。
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然而，Rb、Cs、Fr的放射性和高化学活泼性，Hg具有易挥发性和高毒性，限制了它们在实际生活中的广泛应用。
不过，熔点为29.76℃的31号元素镓比较特别，它不但具有很好的导电性和导热性，而且生物毒性很低。所以，目前科学家们研究最为广泛的是以金属镓及其合金为代表的液态金属。
常温液态金属在不同介质中的界面效应
液态金属的出现，被视为人类利用金属的第二次革命，在航空航天、精密机械、消费电子、医疗、3D打印等众多领域有着广泛的应用前景。
01.液态金属的绝活：“炫酷”技能
很多人对液态金属应用的最大印象，莫过于科幻影片《终结者2》，电影中机器人T-1000可以变成液体钻过门缝，也可以忽然迅速聚拢，变成了一个可以自动修复的无敌机器人战士，展现出了液态金属柔韧性，包括可变形性、可拉伸性和自愈能力等。
液态金属的表面张力非常高，镓基液态金属的表面张力大约是水的10倍。也正是因为此特性，导致它会出现一些非常有意思的现象。比如说，我们将两个液态金属液滴融到一起时，它们就会产生收缩、变形，好像是一根液体弹簧一样。
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液态金属还具有很好的导电性，因此可以通过磁场来操控它们——把磁性颗粒物质跟液态金属结合起来，就可以获得磁性液态金属。在外界磁场作用下，这种磁性液态金属的表面可以长出棱角，并且在磁场的作用和操控下能够进行简单的攀爬。
迄今为止，液态金属最让人匪夷所思的一个现象就是它具有自驱动效应。在清华大学的一项研究中，液态金属镓安静地躺在装有溶液的器皿中，看上去毫无生气，但是，将一块铝箔放进去之后，液态金属开始变得不安分起来，它将铝箔慢慢“吞噬”到自己体内，并且迅速地动了起来，在盛装它的器皿内跑动。
总之，诸多神奇的性能让液态金属材料在柔性机器人、芯片制造、电子信息、能源、先进制造和生物医学等领域展现出了巨大的潜力。
02.散热领域的颠覆性变革
电子元器件不断朝小型化、高功率化方向发展，导致电子元器件在运行过程中发热和温升显著，严重影响了元器件的工作可靠性和使用寿命，目前热界面材料与液冷技术是常见的散热方案。
液态金属作为同时兼具流动性、高导热性、高体积相变潜热的材料，正给先进散热技术的发展带来了颠覆性变革。
热界面材料
热界面材料通常是聚合物复合材料，即以聚合物为基体，添加导热填料制备而成。由于导热填料都以固体颗粒的形式填充到聚合物基体中，因此，为获得较高的热导率，所需固体填料的体积分数通常较高。但加入过量的固体颗粒又会使复合材料整体硬化，黏度显著升高，从而丧失原有的力学性能优势，加工性能变差。
而液态金属的出现为此提供了有效的解决方案。液态金属作为液态柔性导热填料，具有黏度低、流动性好的特点，当液态金属用量较大时，复合材料仍可保持较低的黏度和良好的加工性。
就在今年CES 2025上，英伟达最新的Blackwell架构显卡——旗舰GPU GeForce RTX 5090 Founders Edition（创始人版）“轻装”亮相。为了使其更轻薄，英伟达采用了三片式PCB和双流通冷却系统设计。其中，新冷却器的显著特点是使用了液态金属热界面材料（TIM）而不是传统的硅脂来控制575WTGP的热设计功耗，引起了广泛关注。
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当然了，液态金属用于热界面材料还未完全成熟，例如其湿润性较差，因而难以涂抹；特别是镓基合金，对电子设备中常用的许多材料（如铜、铝和焊接材料）具有很强的腐蚀性，可能使设备退化、可靠性差、维护成本增加。此外，液态金属的电导率高，存在溢出导致短路的风险，这些问题是必须解决的。
液冷循环工质
当空气冷却无法满足电子设备不断增长的发热量时，液冷技术作为一种新颖有效的散热技术应运而生。传统冷却剂（包括水、油和熔盐）的传热性能（尤其是导热系数和对流换热系数）较差，因此无法达到要求的冷却性能。
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以液态金属为循环工质的热控技术的主要优势可归纳为3个方面：首先，液态金属因其良好的导电性而能够由电磁泵驱动，驱动效率高，能耗低；其次，与水、油和熔盐等非金属介质相比，液态金属具有更高的导热系数，因此液态金属散热模块可以实现更极致的散热能力；最后，液态金属的理化性能稳定，可以保证散热系统高效、长期、稳定地运行。
液态金属在散热领域的应用不止于此，低熔点的液态金属还可以作为相变材料在散热领域发挥重要作用。有研究发现对于一个典型的商用闪存来说，大约0.668mL的镓基相变储能材料就足以将其温度保持在29℃以下18min以上，而在相同条件下传统USB会快速达到42℃以上。
2023年8月“首次液态金属空间热管理在轨试验”在中国空间站进行，试验用到了液态金属的两种散热原理，即对流换热和固液相变热控。对流换热就是利用液态金属密度大导热率高的特性从发热表面快速带走热量。固液相变热控是利用低熔点金属吸热后熔化以及放热后凝固这两个过程中温度不变的特性将发热表面控制在某一合适的温度。实验显示太空环境重力极微弱，液体金属不会因温度造成的密度变化而流动，其内部的温度分布不均匀。太空散热装置设计时必须考虑增加腔体向内的传热结构。
03.让传感材料“绕指柔”
近年来，随着人工智能可穿戴领域的快速发展，柔性和可拉伸电子产品引起了人们的广泛关注，作为其核心部件的柔性传感材料已成为一个重要的研究领域。柔性传感材料是指在弯曲、折叠时能实现对外界信号响应的灵敏电子材料。近几年来，柔性传感材料在各种应用领域显示出巨大的潜力，涵盖了可穿戴电子设备、柔性健康监测器、柔性传感器等。这些创新性的应用为人们的日常生活带来了更多便捷和高效。
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液态金属作为一种新型的导电材料，具有高拉伸性、柔韧性和流动性等特点，用于柔性传感器领域可以大大增强灵敏度和拉伸极限，尤其是镓基液态金属熔点较低，这为实现低温加工提供了可能性。
04.摩擦领域，环境越差越润滑
随着科技的快速发展对润滑条件提出了极高的要求。一些航空机械运动部件，如在高温和高负荷下运行时，仍然会面临在极端环境润滑不足导致的不可靠性问题。传统的固体润滑在应用过程中会因为薄膜的破裂和从基底上脱落导致润滑效果较差，因此出现了很多液体润滑剂和磁流体润滑剂等。与固体润滑相比，液体润滑具有流动性好、摩擦磨损小、可回收利用等优点。但传统的液体润滑剂通常由有机碳氢化合物制成，该材料热稳定性差，在高温下容易分解，从而使润滑效果不太理想。
研究发现，镓基液态金属（GaLMs）在低载荷下表现出较差的抗磨性能，远远不如润滑脂，但在极端条件下表现出低摩擦系数和磨损率，可作为极端情况下的润滑剂。
05.生物医疗领域：神经修复，骨科植入
生物医用材料处于医疗健康领域变革的前沿，Ga基液态金属作为一种新兴的功能材料具有很好的生物医学应用前景。GaLMs具有低于或接近体温的熔点，使其在保留金属导电、导热特性的同时具备流体特性，可直接用于制造柔性生物传感器或用于神经和骨骼等的修复，也可制备成微纳米颗粒用于药物负载和疾病治疗。
我国科学家曾经做过这样一次实验。他们把实验用的牛蛙大腿上的坐骨神经切断，再将液态金属注射进去，看是否能够将牛蛙已经断裂的神经连接起来。实验结果显示，用液态金属重新连接起来的牛蛙神经可以很好地传递刺激信号，和没有受伤时的神经功能几乎一模一样，而且这种柔性的液态金属植入到牛蛙体内后，在好几个月的时间里并没有给牛蛙带来任何负面的影响。
小结
随着液态金属一系列革命性应用的发现，这类以往只被零星研究或只在特殊领域引发关注的材料逐渐进入公众视野，促成了若干新科学发现，也打开了诸多变革传统技术的大门，正孕育着无尽的科学与技术前沿。液态金属还赋予了我们各种重大技术畅想，将不断成为现实。
参考来源：
[1]刘静.液态金属：无尽的科学与技术前沿
[2]覃惠杨等.液态金属/硅橡胶复合材料的应用研究进展
[3]江雄等.液态金属在电子热控中的应用进展与挑战
[4]尹富强等.镓基液态金属应用的研究进展
[5]张亚娟等.镓基液态金属基柔性传感材料的制备研究进展
[6]从水银到镓，神奇的液态金属.趣味科学
[7]刘 洋等.Ga基液态金属在生物医学应用的研究进展
（中国粉体网/山川）
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