香港城市大學在液態金屬力學超材料領域取得進展

圖1 液態金屬基微點陣力學超材料( https://doi.org/10.1002/smll.202070252)

1991年上映的科幻電影《終.結.者2》描繪了一個能夠隨意變形，可自我修復的液態金屬機器人T-1000，展現了液態金屬應用的無限可能。電影中液態金屬機器人是邪.惡的化身，在實際應用中，液態金屬卻大有裨益，特別是在小尺度一些精密的應用上，如神經纖維修復和微型機器人。然而直接暴露的液態金屬不易操作，且容易腐蝕其他金屬，應用不當會帶來不良后果，有鑒于此，香港城市大學“納米制造實驗室”的科研團隊正在嘗試在微觀尺度上“駕馭”液態金屬，使得其為未來精密應用，特別是金屬力學超材料帶來更多新的可能。

目前的金屬微點陣力學超材料具有超輕、高比強度等特性，在無人機機翼、小微型電子器械等器件上具有很好的應用前景。但是，目前這類力學超材料的韌性較差，且在服役過程中容易脆斷失效。為了提高韌性，香港城市大學機械工程學系陸洋教授領導的研究團隊開發了液態金屬-聚合物微點陣力學超材料。該材料不僅有良好的韌性，而且充分利用低溫度范圍下液態金屬的特性，實現了類似科幻電影中復雜形態液態金屬的自我修復功能。該項研究成果發表在國際期刊《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202004190）。

該團隊基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機nanoArch S140打印出中空的聚合物外框，壁厚100-300 μm。采用真空液體填充技術在聚合物薄殼中注入液態金屬鎵（Ga），首.次制備了液態金屬-聚合物核殼結構的微點陣力學超材料。該材料具有以下特點：

良好的斷裂韌性

圖2 液態金屬-高分子點陣力學超材料良好的斷裂韌性

良好的斷裂韌性。相比于實心或空心高分子點陣結構，液態金屬-高分子點陣力學超材料避免了受壓過程中的脆斷失效現象。這是由于Ga的存在，阻礙了裂紋在高分子外殼中的擴展，使得該結構在裂紋出現后依然可以承受載荷。

形狀記憶效應

圖3 液態金屬-高分子點陣力學超材料良好的形狀記憶效應

形狀記憶效應。得益于Ga較低的固液轉變溫度（29.7℃），當Ga為固態時，能夠完.美的保持變形后形狀；Ga融化后，該結構又能完.美的恢復至原始形貌，表現出形狀記憶效應。當采用合理的拓撲結構，該材料被大幅壓縮20%后，依然能夠完.美的恢復。

優異的斷裂恢復性

 圖4 液態金屬-高分子力學超材料優異的斷裂恢復能力

優異的斷裂恢復性。即使部分斷裂后的液態金屬基微點陣結構超材料依然能夠基本恢復原始形狀，并且能夠保持一定的承載性能(≥50%初始強度)。部分斷裂的高分子外殼在Ga融化后恢復至原始狀態，驅動整體結構恢復至原始形狀。

綜上所述，被3D打印包裹“駕馭”的液態金屬核心表現出良好的韌性、形狀記憶效應及優異的斷裂恢復能力。這種新型的液態金屬基微點陣力學超材料有望在生物醫療器械、微電子器件及微型機器人等應用獲得巨大的潛力，甚至實現一些以往在《終.結.者》或者《變形金剛》等科幻電影里才能看到的前沿應用場景。