圖1 液態(tài)金屬基微點(diǎn)陣力學(xué)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(gè)能夠隨意變形，可自我修復的液態(tài)金屬機器人T-1000，展現了液態(tài)金屬應用的無(wú)限可能。電影中液態(tài)金屬機器人是邪.惡的化身，在實(shí)際應用中，液態(tài)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(jīng)纖維修復和微型機器人。然而直接暴露的液態(tài)金屬不易操作，且容易腐蝕其他金屬，應用不當會(huì )帶來(lái)不良后果，有鑒于此，香港城市大學(xué)“納米制造實(shí)驗室”的科研團隊正在嘗試在微觀(guān)尺度上“駕馭”液態(tài)金屬，使得其為未來(lái)精密應用，特別是金屬力學(xué)超材料帶來(lái)更多新的可能。

目前的金屬微點(diǎn)陣力學(xué)超材料具有超輕、高比強度等特性，在無(wú)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(lèi)力學(xué)超材料的韌性較差，且在服役過(guò)程中容易脆斷失效。為了提高韌性，香港城市大學(xué)機械工程學(xué)系陸洋教授領(lǐng)導的研究團隊開(kāi)發(fā)了液態(tài)金屬-聚合物微點(diǎn)陣力學(xué)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(tài)金屬的特性，實(shí)現了類(lèi)似科幻電影中復雜形態(tài)液態(tài)金屬的自我修復功能。該項研究成果發(fā)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(shù)在聚合物薄殼中注入液態(tài)金屬鎵（Ga），首.次制備了液態(tài)金屬-聚合物核殼結構的微點(diǎn)陣力學(xué)超材料。該材料具有以下特點(diǎn)：

良好的斷裂韌性

圖2 液態(tài)金屬-高分子點(diǎn)陣力學(xué)超材料良好的斷裂韌性

良好的斷裂韌性。相比于實(shí)心或空心高分子點(diǎn)陣結構，液態(tài)金屬-高分子點(diǎn)陣力學(xué)超材料避免了受壓過(guò)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(tài)金屬-高分子點(diǎn)陣力學(xué)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(tài)時(shí)，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(yōu)異的斷裂恢復性

 圖4 液態(tài)金屬-高分子力學(xué)超材料優(yōu)異的斷裂恢復能力

優(yōu)異的斷裂恢復性。即使部分斷裂后的液態(tài)金屬基微點(diǎn)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(tài)，驅動(dòng)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(tài)金屬核心表現出良好的韌性、形狀記憶效應及優(yōu)異的斷裂恢復能力。這種新型的液態(tài)金屬基微點(diǎn)陣力學(xué)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(shí)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(chǎng)景。