液态金属的可控流动与操纵综述

液体的可控流动与操纵具有十分重要的科研价值和潜在应用，并且一直是一个难题。镓基室温液态金属（Gallium、EGaIn和Galinstan等）作为一种特殊的流体具有出色的流动性、高电/热导、可控表面以及可合金化等诸多性能。这种多合一的性质为液态金属提供了多种操纵方式。

鉴于该领域目前的研究热度以及快速发展，澳大利亚伍伦贡大学（University of Wollongong）创新校区超导与电子材料研究所所长王晓临教授团队在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为“Controllable Flow and Manipulation of Liquid Metals”的综述文章，贺亚华博士为第一作者，博士生尤静以及美国北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）Michael Dickey教授为共同作者。该综述回顾总结了镓基液态金属通过机械力（微流控、喷嘴打印）、电场（可控表面张力的流体动力学）、磁场、电磁场、声场、光场以及其他方式实现的可控流动与操纵。从根本机理、控制方式以及潜在的应用进行了总结与展望，并提出了目前研究中存在的问题，对之后这一方向的研究具有重要的指导意义。

图1 液态金属的多功能性为其提供了多种操纵方式

基于微流控的液态金属可控流动

由于液态金属出色的流动性，其可以被注入到微流控通道内。由于其表面自发形成的氧化物限制层（含氧环境）能让液态金属在通道内形成稳定的结构，这使得液态金属非常适合被注入到弹性通道（如PDMS等有机物）中构建可高度变形和重构的电子器件。在限制表面氧化物形成时（例如在可溶解氧化物的NaOH溶液中），可实现可控大小的液态金属液滴（droplets），并实现液滴的可控运动。

图2 液态金属在微流控通道内的可控流动

可控的流体点胶与打印

液态金属也可以从喷嘴以不同的形态挤出来实现可控的流体点胶和打印，具体可分为自支撑结构和外部结构支撑俩种不同的方式。液态金属的自支撑结构主要依靠其表面氧化物使其形成稳定的结构，可通过逐滴喷出、雾化以及短线的方式来实现如3D打印和模版印刷等。外部支撑结构包括近距离衬底、水浴支撑以及修饰改性（例如液态金属墨水）来实现更复杂、更大空间跨度的立体结构。

图3 基于喷嘴的可控的流体点胶和打印：自支撑结构和外部支撑结构

表面张力的调控

对于流体，表面张力是一个重要的参数，其会使液体趋向于最小化表面积。和其他流体比较起来，液态金属具有极高的表面张力（> 400 mN/ m），因此液态金属会趋向于形成液滴，其运动也会受到限制。当将液态金属置于电解质中时，其表面张力可通过有效的方式进行调控，从而实现可控流动与操纵，具体可分为俩类。第一类是通过重新分布液态金属的表面电荷来制造表面张力梯度（例如将液态金属置于电场之间），电荷密度越高的地方表面张力越小，称之为电毛细管现象/电润湿 （electrocapillarity/electrowetting）。在电场下不均匀的电荷分布，会使液态金属向表面张力小的方向定向运动，这种可控运动可用于构建液态金属泵和轮形机器人。

图4 电场作用下的表面电荷不均匀分布所导致的液态金属的可控运动

但是第一类方法降低表面张力十分有限，为了达到极低的表面张力，第二类方法将液态金属连接正极，通过控制表面氧化的形成来调控表面张力（过厚的氧化物会限制液态金属的流动性），称之为电化学控制的氧化（electrochemical controlled oxidation）。第二类方法可以将表面张力减小到10⁻⁵mN/m，从而实现液态金属的可控形变与运动控制，例如管道内定向变形移动、多孔介质的穿透效应以及高/低表面张力状态切换控制的“液态金属心跳效应”等。

图5 通过将液态金属连接正极来控制其表面氧化物的生成，从而更大范围调控表面张力来实现可控形变及运动

磁场控制

液态金属自身对磁场是没有响应的，但是由于其合金化的能力，一些磁性颗粒可以被添加到液态金属里面，从而可以通过磁场来控制液态金属的运动。根据添加磁性颗粒后液态金属的形貌差异，可将磁场控制分为俩类：第一类是简单的液滴运动控制，液态金属保持液滴的形态（高表面张力），通常是在液态金属液滴表面覆盖一层磁性颗粒如铁。液滴可在平面内被控制做一些简单的定向移动。第二种是将磁性颗粒均匀分布在液态金属内部，从而构建一种泥浆状的液态金属混合物，从而使更为复杂的运动控制，包括磁性驱动、自修复、变形、打印以及可逆的书写等。

图6 通过对液态金属添加磁性颗粒从而实现多种磁性控制

电磁场控制

由于液体金属优秀的导电性，将通电的液态金属置于磁场中，便可以使电磁交互感应作用于液态金属上，从而实现液态金属运动的电磁场控制。目前的操纵方式大致可分为三类：变化磁场产生电流、直接对磁场中液态金属注入高电流以及磁场中液态金属的电化学电流。

图7 电磁场作用下液态金属的可控运动

声场和光场控制

由于液态金属流体的特性，其很容易通过吸收声波的能量来实现声场对液态金属的控制。目前声场主要分为高频（高达MHz）和低频（ ~ 40 Hz）控制。高频的高能声波可以将液态金属震荡形成尺寸可控的纳米级液滴并促成一些反应，同时可实现对液态金属的可控运动。而低频声波则可实现特别的流体现象，例如不同的表面图案、流体震动以及轨道运行等。而光场控制则主要是基于液态金属的高热导以及较低的热容，在激光的照射下，液态金属会呈现出明显的升温现象。不均匀的温度分布会是液态金属在溶液中受到可控力的作用，从而实现定向运动和可控形变。同时，一些光敏材料也可用于液态金属的光场控制。

图8 声场和光场作用下的液态金属的可控运动，形变以及独特的表面图案

其他控制方式

除了以上系统研究过的控制方式，其他方式如液态金属表面和衬底界面调控、微尺度控制、介电泳以及电迁移等也得到探索。

挑战与机遇

综上所述，目前关于液态金属的可控流动与操纵的研究取得很大的进展，但是如何实现高效且简便的控制方式，如何提高打印过程的可操作性和结构分辨率以及如何实现高精度的控制还有很大的探索空间。同时，对于溶液环境中的液态金属，其界面状态（包括表面氧化物的动态形成与溶解）一直没有得到有效的解释。这些目前阶段存在的问题都还需要进一步的研究。

审核编辑：刘清