近日，液態(tài)金屬傳感器或被用于iPhone6的消息令期待已久的“果粉”們?yōu)橹駣^。那么，到底什么是液態(tài)金屬？這種金屬又有什么特殊之處？

    大家一定記得在《終結(jié)者》系列電影中，液體金屬人暴虐普通金屬機(jī)器人的場(chǎng)景吧。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)實(shí)世界層出不窮的新興科技使我們?cè)絹碓接袡C(jī)會(huì)接近曾經(jīng)幻想過的場(chǎng)景。強(qiáng)大的全球網(wǎng)絡(luò)讓“天網(wǎng)”不再是一種幻想，而最近科學(xué)家們?cè)谝簯B(tài)金屬領(lǐng)域的突破，也讓液態(tài)金屬人的誕生距離我們更近了一步。液態(tài)金屬已應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，它有科幻電影中那么神奇嗎？液態(tài)金屬是終結(jié)金屬與塑料的新材料嗎？

    ——液態(tài)實(shí)驗(yàn)——

    瀝青的粘性是水的1000億倍

    目前為止，科學(xué)家們把已知的物質(zhì)世界分為六種存在狀態(tài)，他們分別是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超固態(tài)、中子態(tài)。其中，我們最常見于日常生活中的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)幾乎眾所周知。每一個(gè)普通人日常生活中都能很清楚地分辨出這三種狀態(tài)。

    然而，有些物質(zhì)從宏觀上很難區(qū)分其到底是哪種狀態(tài)。瀝青滴漏是一項(xiàng)長(zhǎng)得讓人難以相信的物理實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)最初由托馬斯·帕內(nèi)爾教授實(shí)施。1944年7月11日開始，都柏林圣三一大學(xué)進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)后被證明，平均接近十年才能滴下一滴。直至2013年7月11日，他們第一次拍到了瀝青液滴的滴落，從而向世人證明瀝青是一種粘性很大的液體。研究人員通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)估計(jì)，瀝青的粘性大約是水的1000億倍。根據(jù)吉尼斯世界紀(jì)錄，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是世界上持續(xù)時(shí)間最久的實(shí)驗(yàn)，而漏斗內(nèi)的瀝青仍足夠使這個(gè)實(shí)驗(yàn)再持續(xù)幾百年。

    隨著科技的發(fā)展，人們已經(jīng)能從分子水平上區(qū)分三種常見狀態(tài)之間的差別。處于氣態(tài)的物質(zhì)，其構(gòu)成粒子與粒子之間距離很遠(yuǎn)，因而容易壓縮、自由流動(dòng)；對(duì)于液態(tài)物質(zhì)來說，構(gòu)成它們的分子彼此已靠得很近，分子一個(gè)挨著一個(gè)，它的密度要比氣態(tài)的同種物質(zhì)大得多，分子之間靠范德瓦爾斯力粘連在一起；對(duì)于固態(tài)物質(zhì)來說，組成物質(zhì)的原子一個(gè)挨著一個(gè)，組成一個(gè)有規(guī)律的“點(diǎn)陣”，就像造房子時(shí)精密拼接起的磚塊，相互契合，牢牢地結(jié)合在一起，這就是固體比液體硬的原因。

    需要特別指出的是，在這種分子水平分類方式確定下來后，類似玻璃、瀝青這樣分子結(jié)構(gòu)雜亂無章，沒有確定的結(jié)晶狀態(tài)，但是其宏觀流動(dòng)性非常弱的物質(zhì)，某種意義上也可以被認(rèn)為是一種液態(tài)物質(zhì)。

    日常生活中所見的金屬，多數(shù)為原子結(jié)構(gòu)周期性緊密排列，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)物質(zhì)。一般而言，在溫度升高后，固態(tài)金屬會(huì)由于分子能量增高、運(yùn)動(dòng)劇烈，從而脫離規(guī)則的原子站位，成為可以流動(dòng)的液態(tài)。個(gè)別金屬，比如汞(水銀)的熔點(diǎn)非常低，在常溫下就可以達(dá)到液體狀態(tài)。

    ——特殊之處——

    兼具可塑性和牢固性

    1991年電影《終結(jié)者2》中首次出現(xiàn)了液態(tài)金屬機(jī)器人。阿諾德·施瓦辛格飾演一個(gè)從未來回到90年代的機(jī)器人T-800，與比他先進(jìn)的液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000展開了一場(chǎng)生死搏斗。

    影片中所謂的更先進(jìn)的液體金屬人，彈孔可以自動(dòng)愈合，被砍傷的身體也能像水一樣通過流動(dòng)恢復(fù)到最初嚴(yán)絲合縫狀態(tài)中去。此外，電影中的液態(tài)金屬人還可以根據(jù)需要變成各種形態(tài)：溶入底板、揮手鋼刀、變化樣貌。需要時(shí)既可以柔若流水，又可以瞬間硬若精鋼。在當(dāng)時(shí)看來，這些事物離我們的現(xiàn)實(shí)生活遙不可及。“天網(wǎng)”系統(tǒng)、液態(tài)金屬人、來自未來，掀起了一波科幻熱潮。

    事實(shí)上，目前我們所說的液態(tài)金屬還遠(yuǎn)不是電影中可以隨便流動(dòng)的真“液態(tài)”的金屬。目前，希望被應(yīng)用于工業(yè)的液態(tài)金屬是指前面所述分子結(jié)構(gòu)上定義的“液態(tài)”，是一種新型金屬合金的分類簡(jiǎn)稱。通過把不同原子半徑，不同電子結(jié)構(gòu)的金屬元素混合成為具有特殊原子結(jié)構(gòu)的合金材料。

    這種合金材料在常溫下不像普通固態(tài)金屬那樣具有穩(wěn)定且有規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。類似玻璃以及部分有機(jī)物那樣，它們的原子之間具有不規(guī)則的成鍵特點(diǎn)，或者是靠相對(duì)弱的范德瓦爾斯力相互連接，從而易于改變結(jié)構(gòu)，具有了塑料、玻璃相似的可塑性。此外，分子自身的流動(dòng)也參與熱傳導(dǎo)過程，把金屬的熱傳導(dǎo)性提高了數(shù)個(gè)量級(jí)。而電子結(jié)構(gòu)卻不像玻璃或有機(jī)物那樣局域在原子周圍的能級(jí)中。電子在體系中保持了金屬的導(dǎo)電能帶結(jié)構(gòu)的特性，可以自由地在體系內(nèi)巡游，從而傳導(dǎo)電信號(hào)和熱信號(hào)。因此很多時(shí)候稱它為“金屬玻璃”或者“非晶態(tài)合金”。

    ——開發(fā)應(yīng)用——

    下一代微電子領(lǐng)域熱門材料

    液態(tài)金屬以其熔融后塑形能力、高硬度、抗腐蝕、高耐磨等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代微電子領(lǐng)域的可選材料。

    “液態(tài)金屬”這一概念首先被美國(guó)加州科技公司提出，并于2010年向蘋果獨(dú)家授權(quán)應(yīng)用其液態(tài)金屬的技術(shù)。該技術(shù)還不是非常的成熟，目前還沒有合適的制造基礎(chǔ)來充分利用其優(yōu)勢(shì)。即便如此，相比于其他已用于移動(dòng)設(shè)備的金屬、玻璃以及塑料外殼，“液態(tài)金屬”兼具了塑料的低成本制造、金屬的堅(jiān)固以及玻璃的美觀等優(yōu)勢(shì)，并且克服了塑料的不夠堅(jiān)固、金屬的不易用于復(fù)雜形狀產(chǎn)品的制造以及玻璃的易碎等缺點(diǎn)。曾有傳言稱，蘋果將在下一代iPhone和Macbook Pro中使用液態(tài)金屬一體機(jī)身。

    國(guó)內(nèi)開發(fā)液態(tài)金屬散熱器

    液體狀態(tài)下的液態(tài)金屬，由于其中的自由電子和分子共同參與熱傳導(dǎo)，因而其導(dǎo)熱性要遠(yuǎn)高于一般材料，用來做微電子元器件的散熱裝置再好不過。

    在液態(tài)金屬研究方面，我國(guó)企業(yè)和研究單位也不甘落后。2010年10月26日，“中央企業(yè)院校重大科技成果在京轉(zhuǎn)化落地項(xiàng)目簽約儀式”上，北京依米康散熱技術(shù)有限公司與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所合作成功研制的適合于臺(tái)式計(jì)算機(jī)散熱的實(shí)驗(yàn)室系列樣機(jī)，被列入了此次重大科技成果在京轉(zhuǎn)化落地項(xiàng)目。

    這一液態(tài)金屬的應(yīng)用，和前述合金材料有所不同，應(yīng)用了熔點(diǎn)非常低的單元素金屬材料鎵。這種材料類似日常生活中見到的水銀，熔點(diǎn)非常低，接近室溫的時(shí)候很容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相變，從固相進(jìn)入液相。在這一過程中，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的成鍵原子會(huì)從外界吸收大量能量從而從束縛態(tài)轉(zhuǎn)為游離態(tài)。電子能帶結(jié)構(gòu)卻不會(huì)有明顯變化，電子依然可以自由運(yùn)動(dòng)，其熱容(吸熱能力)比商業(yè)上用的最好的散熱器件還要高。此外，熔融態(tài)的液態(tài)金屬鎵，其沸點(diǎn)高達(dá)2000攝氏度，這一性質(zhì)也避免了其他熱管散熱器易于沸騰、穩(wěn)定性不佳的缺點(diǎn)。

    ■延伸閱讀

    受損金屬可自我修復(fù)

    據(jù)《人民日?qǐng)?bào)》報(bào)道，英國(guó)航空航天系統(tǒng)公司正在開發(fā)能自我修復(fù)的戰(zhàn)機(jī)。該戰(zhàn)機(jī)使用的納米材料可立即修復(fù)自身因戰(zhàn)斗遭受的損壞，讓戰(zhàn)機(jī)得以繼續(xù)戰(zhàn)斗。分析稱，這一發(fā)明或?qū)⒏淖兾磥淼目諔?zhàn)格局。

    2013年8月，號(hào)稱真實(shí)版的“終結(jié)者”——“自愈熱固性彈性體”的閃耀面世吸引了世人的目光。該聚合物由西班牙科學(xué)家開發(fā)，是世界上第一個(gè)可以自發(fā)重建、自我修復(fù)的聚合物。而且，該聚合物自我修復(fù)后仍然牢固。值得一提的是，開發(fā)者成功降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本，所采用的聚合起始材料成本低廉，開發(fā)過程相對(duì)簡(jiǎn)單。

    報(bào)道稱，真實(shí)版“終結(jié)者”在工業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)用價(jià)值不可忽視，最實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用在于顯著延長(zhǎng)汽車、房屋、生物材料以及電器元件的使用壽命，可讓消費(fèi)者節(jié)省許多開支。

    美國(guó)麻省理工學(xué)院的科研人員發(fā)現(xiàn)，受損的金屬也有可能進(jìn)行大面積的自我修復(fù)。在力學(xué)和其他外部條件的作用下，無論單質(zhì)金屬抑或合金都能自我修復(fù)。這一科研發(fā)明可用于研制更多應(yīng)用在工業(yè)、軍事等方面的新式材料，讓金屬的“再生”機(jī)能造福人類。

    金屬除了能夠快速自我愈合之外，其愈合受損神經(jīng)組織的能力也開始受到關(guān)注。有研究稱，金屬在人體內(nèi)可保持人體常溫，液態(tài)金屬能應(yīng)用于醫(yī)學(xué)手術(shù)。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)未來或可用于修復(fù)人類神經(jīng)組織，造福病人。

    而液態(tài)金屬技術(shù)最初為大家熟知的是，蘋果將其用作取卡針，其高硬度、抗腐蝕、高耐磨等性能遠(yuǎn)超普通金屬。HTC、三星、諾基亞等公司亦已經(jīng)布局液態(tài)金屬的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)個(gè)性化十足的OPPO、Vivo、華為等公司的部分終端已經(jīng)使用液態(tài)金屬材質(zhì)的SIM卡托槽。