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液態金屬:演繹現實版“終結者”?

  • 發佈時間:2014-08-01 07:32:08  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  近日,液態金屬感測器或被用於iPhone6的消息令期待已久的“果粉”們為之振奮。那麼,到底什麼是液態金屬?這種金屬又有什麼特殊之處?

  大家一定記得在《終結者》系列電影中,液體金屬人暴虐普通金屬機器人的場景吧。隨著科學技術的不斷發展,現實世界層出不窮的新興科技使我們越來越有機會接近曾經幻想過的場景。強大的全球網路讓“天網”不再是一種幻想,而最近科學家們在液態金屬領域的突破,也讓液態金屬人的誕生距離我們更近了一步。液態金屬已應用到現實生活中,它有科幻電影中那麼神奇嗎?液態金屬是終結金屬與塑膠的新材料嗎?

  ——液態實驗——

  瀝青的粘性是水的1000億倍

  目前為止,科學家們把已知的物質世界分為六種存在狀態,他們分別是固態、液態、氣態、電漿態、超固態、中子態。其中,我們最常見於日常生活中的固態、液態、氣態幾乎眾所週知。每一個普通人日常生活中都能很清楚地分辨出這三種狀態。

  然而,有些物質從宏觀上很難區分其到底是哪種狀態。瀝青滴漏是一項長得讓人難以相信的物理實驗,這項實驗最初由托馬斯·帕內爾教授實施。1944年7月11日開始,都柏林聖三一大學進行了類似的實驗後被證明,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。研究人員通過這個實驗估計,瀝青的粘性大約是水的1000億倍。根據吉尼斯世界紀錄,這項實驗是世界上持續時間最久的實驗,而漏斗內的瀝青仍足夠使這個實驗再持續幾百年。

  隨著科技的發展,人們已經能從分子水準上區分三種常見狀態之間的差別。處於氣態的物質,其構成粒子與粒子之間距離很遠,因而容易壓縮、自由流動;對於液態物質來説,構成它們的分子彼此已靠得很近,分子一個挨著一個,它的密度要比氣態的同種物質大得多,分子之間靠范德瓦爾斯力粘連在一起;對於固態物質來説,組成物質的原子一個挨著一個,組成一個有規律的“點陣”,就像造房子時精密拼接起的磚塊,相互契合,牢牢地結合在一起,這就是固體比液體硬的原因。

  需要特別指出的是,在這種分子水準分類方式確定下來後,類似玻璃、瀝青這樣分子結構雜亂無章,沒有確定的結晶狀態,但是其宏觀流動性非常弱的物質,某種意義上也可以被認為是一種液態物質。

  日常生活中所見的金屬,多數為原子結構週期性緊密排列,具有一定晶體結構的固態物質。一般而言,在溫度升高後,固態金屬會由於分子能量增高、運動劇烈,從而脫離規則的原子站位,成為可以流動的液態。個別金屬,比如汞(水銀)的熔點非常低,在常溫下就可以達到液體狀態。

  ——特殊之處——

  兼具可塑性和牢固性

  1991年電影《終結者2》中首次出現了液態金屬機器人。阿諾德·施瓦辛格飾演一個從未來回到90年代的機器人T-800,與比他先進的液態金屬機器人T-1000展開了一場生死搏鬥。

  影片中所謂的更先進的液體金屬人,彈孔可以自動癒合,被砍傷的身體也能像水一樣通過流動恢復到最初嚴絲合縫狀態中去。此外,電影中的液態金屬人還可以根據需要變成各種形態:溶入底板、揮手鋼刀、變化樣貌。需要時既可以柔若流水,又可以瞬間硬若精鋼。在當時看來,這些事物離我們的現實生活遙不可及。“天網”系統、液態金屬人、來自未來,掀起了一波科幻熱潮。

  事實上,目前我們所説的液態金屬還遠不是電影中可以隨便流動的真“液態”的金屬。目前,希望被應用於工業的液態金屬是指前面所述分子結構上定義的“液態”,是一種新型金屬合金的分類簡稱。通過把不同原子半徑,不同電子結構的金屬元素混合成為具有特殊原子結構的合金材料。

  這種合金材料在常溫下不像普通固態金屬那樣具有穩定且有規則的原子排列結構。類似玻璃以及部分有機物那樣,它們的原子之間具有不規則的成鍵特點,或者是靠相對弱的范德瓦爾斯力相互連接,從而易於改變結構,具有了塑膠、玻璃相似的可塑性。此外,分子自身的流動也參與熱傳導過程,把金屬的熱傳導性提高了數個量級。而電子結構卻不像玻璃或有機物那樣局域在原子周圍的能級中。電子在體系中保持了金屬的導電能帶結構的特性,可以自由地在體系內巡遊,從而傳導電信號和熱信號。因此很多時候稱它為“金屬玻璃”或者“非晶態合金”。

  ——開發應用——

  下一代微電子領域熱門材料

  液態金屬以其熔融後塑形能力、高硬度、抗腐蝕、高耐磨等特點,被認為是下一代微電子領域的可選材料。

  “液態金屬”這一概念首先被美國加州科技公司提出,並於2010年向蘋果獨家授權應用其液態金屬的技術。該技術還不是非常的成熟,目前還沒有合適的製造基礎來充分利用其優勢。即便如此,相比于其他已用於移動設備的金屬、玻璃以及塑膠外殼,“液態金屬”兼具了塑膠的低成本製造、金屬的堅固以及玻璃的美觀等優勢,並且克服了塑膠的不夠堅固、金屬的不易用於複雜形狀産品的製造以及玻璃的易碎等缺點。曾有傳言稱,蘋果將在下一代iPhone和Macbook Pro中使用液態金屬一體機身。

  國內開發液態金屬散熱器

  液體狀態下的液態金屬,由於其中的自由電子和分子共同參與熱傳導,因而其導熱性要遠高於一般材料,用來做微電子元器件的散熱裝置再好不過。

  在液態金屬研究方面,我國企業和研究單位也不甘落後。2010年10月26日,“中央企業院校重大科技成果在京轉化落地項目簽約儀式”上,北京依米康散熱技術有限公司與中國科學院理化技術研究所合作成功研製的適合於臺式電腦散熱的實驗室系列樣機,被列入了此次重大科技成果在京轉化落地項目。

  這一液態金屬的應用,和前述合金材料有所不同,應用了熔點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,熔點非常低,接近室溫的時候很容易産生結構相變,從固相進入液相。在這一過程中,結晶結構中的成鍵原子會從外界吸收大量能量從而從束縛態轉為游離態。電子能帶結構卻不會有明顯變化,電子依然可以自由運動,其熱容(吸熱能力)比商業上用的最好的散熱器件還要高。此外,熔融態的液態金屬鎵,其沸點高達2000攝氏度,這一性質也避免了其他熱管散熱器易於沸騰、穩定性不佳的缺點。

  (稿件及圖片來源:蝌蚪五線譜)

  ■延伸閱讀

  受損金屬可自我修復

  據《人民日報》報道,英國航空航太系統公司正在開發能自我修復的戰機。該戰機使用的奈米材料可立即修復自身因戰鬥遭受的損壞,讓戰機得以繼續戰鬥。分析稱,這一發明或將改變未來的空戰格局。

  2013年8月,號稱真實版的“終結者”——“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家開發,是世界上第一個可以自發重建、自我修復的聚合物。而且,該聚合物自我修復後仍然牢固。值得一提的是,開發者成功降低了産品的開發成本,所採用的聚合起始材料成本低廉,開發過程相對簡單。

  報道稱,真實版“終結者”在工業系統中的實用價值不可忽視,最實際的一個應用在於顯著延長汽車、房屋、生物材料以及電器元件的使用壽命,可讓消費者節省許多開支。

  美國麻省理工學院的科研人員發現,受損的金屬也有可能進行大面積的自我修復。在力學和其他外部條件的作用下,無論單質金屬抑或合金都能自我修復。這一科研發明可用於研製更多應用在工業、軍事等方面的新式材料,讓金屬的“再生”機能造福人類。

  金屬除了能夠快速自我癒合之外,其癒合受損神經組織的能力也開始受到關注。有研究稱,金屬在人體內可保持人體常溫,液態金屬能應用於醫學手術。這項創新技術未來或可用於修復人類神經組織,造福病人。

  而液態金屬技術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、高耐磨等性能遠超普通金屬。HTC、三星、諾基亞等公司亦已經佈局液態金屬的應用,國內個性化十足的OPPO、Vivo、華為等公司的部分終端已經使用液態金屬材質的SIM卡托槽。

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