近期，中科院理化技術研究所液態金屬與低溫生物醫學研究中心在Advanced Materials上發表了一篇題為“通向材料發現的液態金屬組合學（Liquid Metal Combinatorics toward Materials Discovery）”的文章，系統提出了旨在發現和研制新一代先進功能材料的通用性液態金屬組合學思想及其理論框架。論文第一作者為汪達偉博士和葉姣博士，通訊作者為劉靜研究員和饒偉研究員。

室溫液態金屬是一系列熔點低于或接近環境溫度的金屬或合金，蘊藏著諸多令人著迷的材料特性，為物理、化學、生物醫學、電子制造、半導體、機器人及低碳能源等許多領域的變革提供了重大機遇。作為新一代功能物質及材料，液態金屬憑借其卓越的內在無限可拓展性，在基礎科學和工程實踐中彰顯日益重要的地位，特別是近年來液態金屬生物材料、可變形機器人、芯片冷卻、印刷電子及半導體、3D打印等令人興奮的應用紛至沓來，引發了世界范圍的研究熱潮。當前，圍繞液態金屬及其衍生材料的研發正逐步駛入快車道。隨著應用范疇迅速擴大，現有液態金屬的局限性也面臨嚴峻挑戰。為滿足日益增長的需求，亟需在材料種類和功能上尋求突破。

在此篇論文中，理化所團隊基于過去20余年來在液態金屬領域的研究實踐和長期積淀，系統提出了旨在打開材料發現之門的通用性理論框架，并將其命名為 “液態金屬組合材料學”（LMC，圖1），相應思想涵蓋了液態金屬幾乎所有可能的組合模式及材料創制策略，未來可由此按需設計出種類豐富且功能千變萬化的新型材料。這一基本要義的出發點在于充分借助液態金屬主體、表面化學物質、離子作用與更多其它物質之間的深度物理結合、化學、生物協同等效應，實現目標材料，整個制備過程可在室溫附近完成。LMC代表了無限可拓展性、可靠性及模塊化的通用材料創新方法，為新材料的發現提供了統一理論基礎。
中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道

圖1. "液態金屬組合材料學"（LMC）統一性理論框架。 L i M j 的內涵代表了液態金屬（ L i ）與匹配材料（ M j ）衍生出豐富多彩、功能多樣的材料組合（）。

原理上，液態金屬組合材料學代表了以液相金屬（L）為核心的材料（M）組合（C）方式 (L-M-C)（圖2），其基本思想在于充分借助室溫液態金屬的物理、化學、生物連接（圖3），快速實現豐富多樣的材料集成（ L i M j 。這里， L i M j 內涵指的是液態金屬（ L i ）可與幾乎所有現存的其它材料（M j ）發生相互協同作用繼而衍生出千變萬化的材料組合（）（圖1）。從這種意義上講，液態金屬組合學也從側面印證了中國古代哲學之集大成者-老子《道德經》中所闡述的“道生一，一生二，二生三，三生萬物”的宇宙生成論，包含了豐富的科學哲學思想。
中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道

圖2. 液態金屬組合材料學內涵。（a）LMC概念具有普遍適用性，各種液態金屬與對應負載材料的可能組合為大量材料的合成提供了廣闊空間。（b）尺度同樣具廣義性，涵蓋從宏觀到微觀/納米尺度通過精心設計的各種形式的液態金屬組合。（c）結構也不受限制，可根據需要進行設計和加工，包含從固體、中空、多孔、殼芯、層狀、均勻、Janus膜、微/納米到三維空間結構。

中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道

圖3. 液態金屬與其它材料之間的化學、物理和生物學組合。由于具備獨特的低熔點優勢，液態金屬或其經輕微改性的金屬可以通過（i）物理、（ii）化學及（iii）生物方式與自然界中幾乎所有種類物質相容結合。

為說明液態金屬組合學方法論及其應用特點，文章歸納出了8條基本的材料創制途徑：①多組分合金化LMCs；②微/納米材料介導型LM C s （圖4）；③結構化LM C s （圖5）；④表面修飾化LM C s （圖6）；⑤多孔化LM C s （圖7）；⑥基于微/納米液體金屬填料的LM C s （圖8）；⑦低維化LM C s （圖9）；⑧多模式液態金屬組合學。基于這些策略，可從無定形液態金屬中快速設計和制造出大量“有形”的功能材料，其不僅保留了液態金屬的典型特征，還新增賦予許多鮮明的可調諧性，如優異的熱/電導率、豐富的電化學及生物醫學特性、協同性乃至多模式行為等。以室溫液態金屬作為組合材料的“道”，無形中孕育有形，引入了幾乎所有的物象和結構如液相、固相、氣相或其組合，構建材料的基本單元則從微觀到宏觀均不受限，這些廣義特點預示著液態金屬組合學蘊藏著無盡的材料發現機會。
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圖4. 微/納米材料介導的LM C s 制備方法。（a）改善顆粒內部化的氧化機制。（b）顆粒通過吞噬作用實現內化。性能調控方面，包括（c）降低過冷效應；（d）增強熱導率/電導率；（e）可調節流變學特性；（f）外場控制。

中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道 圖5. 結構化LM C s 。（a）液態金屬可用作不同規模和尺寸的焊接材料。（b）液態金屬涂敷型結構化材料。（c）基于液態金屬的增材制造結構材料。

中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道 圖6. 表面修飾型LM C s 材料。（a）表面形成氧化層：（i）成分和結構效應；（ii）流變特性；（iii）形狀變換；（iv）刺激反應。（b）彩色LMC的表面工程學：（i）偽彩色；（ii）結構顏色；（iii）熒光。（c）功能性LMC表面改性：（i）微/納米顆粒輔助表面改性；（ii）基于化學、天然和生物化合物的表面改性；（iii）基于電化學置換的表面改性。

中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道 圖7. 多孔化LM C s 材料。（a）物理方法：（i）直接填充氣泡或液體；（ii）與充氣微球混合；（iii）犧牲模板法。（b）化學策略：（i）用水、酸或堿進行置換反應以產生天然氣；（ii）分解化合物以釋放氣體；（iii）去合金化以形成空隙。
中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道 圖8. 以微/納米液體金屬作為添加物和填料的LM C s 材料制備方法。（a）將液態金屬加載于彈性體中，結構由預制模板決定。（b）通過壓力、附著力、范德華力和毛細管效應填充液態金屬微通道。（c）將液態金屬與基質機械混合，以生成均勻的液態金屬嵌入彈性體。
中科院理化所劉靜、饒偉團隊 Adv. Mater.：提出統一性液態金屬組合學思想及理論框架，詳解萬千功能材料發現之道

圖9. 低維化LMCs材料。基于（a）成分、（b）結構和（c）形態的低維液態金屬組合材料學分類。

自本世紀初以來，理化所團隊圍繞液態金屬開展了大量基礎探索和應用實踐，先后提出了一系列底層材料創制思想，如液態金屬材料基因組方法、旨在強化液態金屬熱、電、磁、力性能的納米液態金屬材料學，用以改變如硅油、聚合物等屬性的液態金屬添加物技術，以及自我驅動型液態金屬機器、彩色熒光液態金屬、類似生物肺組織的多孔液態金屬、液態導體-絕緣體轉換材料、液態金屬氣泡/囊泡，乃至密度低于水可上下浮沉的輕量化液態金屬材料等。具有通用意義的液態金屬組合學思想正是在這些長期實踐基礎上提出的。在應用層面，理化所團隊推出的系列性能優良的LMC材料已在芯片冷卻與熱管理、電子電路制造、半導體印刷、柔性醫學傳感以及臨床骨科支具與骨修復等環節實現市場化。

總的來說，液態金屬組合學統一了各種新材料的創制策略，相應思想及理論框架具有普遍意義及廣泛可拓展性，在這一基本理念的指導下，可望迎來大量新材料的研發和問世，由此滿足日益增長的緊迫現實需求。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202303533

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