中國(guó)版“終結(jié)者”來(lái)了？

冉浩

科幻電影《終結(jié)者》中的液態(tài)金屬機(jī)器人讓人印象深刻，它可以隨意變形，受到攻擊后能夠瞬間恢復(fù)，還可以化成液體穿越異常狹小的孔隙，到墻壁的另一面再重新組合。如今，這部科幻電影中的酷炫幻想正在變成現(xiàn)實(shí)。

近日，我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)鼓搗出一種仿生液態(tài)“金屬機(jī)器人”，據(jù)說(shuō)它在“吞食”少量“食物”后，就可以歡快地活躍1小時(shí)，而且它在通電的時(shí)候還可以改變形態(tài)。雖然這家伙和電影里那個(gè)機(jī)器人相比，還差得很遠(yuǎn)，但是它確實(shí)打開(kāi)了我們想象力的魔盒。

可在你手心里融化的古怪金屬

這個(gè)液態(tài)的“金屬機(jī)器人”是用鎵合金制成的。一般來(lái)說(shuō)，金屬在常溫下都是固態(tài)的，比如鐵和鋁之類的，但是總有一些金屬是特殊的，它們?cè)诔叵履軌蚓S持液態(tài)。其中，我們最熟悉的是水銀，也就是汞，它的熔點(diǎn)是-38.87℃，你可以在傳統(tǒng)的玻璃體溫表里找到它——摔碎的體溫表里滾出的銀色珠子就是水銀，它像水滴一樣可愛(ài)，但是潛藏在這可愛(ài)外表下的是它強(qiáng)大的金屬毒性。盡管它的沸點(diǎn)是356.6℃，但是常溫下也會(huì)形成蒸汽，引起中毒。所以，水銀雖然外觀可愛(ài)，但不能隨便拿來(lái)玩。

盡管會(huì)在手心上融化，但是鎵在常溫下并不是液態(tài)的，因?yàn)樗娜埸c(diǎn)是29.78℃。不過(guò)，鎵的沸點(diǎn)卻高得出奇，達(dá)到了2 403℃，比銀的沸點(diǎn)還要高！一般這個(gè)級(jí)別的沸點(diǎn)的金屬，熔點(diǎn)都在幾百一千左右，鎵你這樣真的好么？

這其實(shí)和鎵的特性有關(guān)，它是弱金屬性，而且外層3個(gè)電子很難形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，形成的金屬鍵很弱，液化很容易，但液態(tài)的時(shí)候還出現(xiàn)了一種類似非金屬的結(jié)構(gòu)，因此徹底將它汽化又變得非常困難。不過(guò)鎵很奇葩的是它很容易過(guò)冷，或者說(shuō)，就是加熱冷卻的時(shí)候，本來(lái)到了該凝固的溫度了，卻還能保持液態(tài)，甚至在室溫下可以保持液態(tài)好幾天，不過(guò)這時(shí)候要是加入晶核粉末或者震動(dòng)它，會(huì)迅速引起結(jié)晶。這種因?yàn)檎饎?dòng)而瞬間結(jié)晶的現(xiàn)象在夏季冰箱里過(guò)冷的啤酒、飲料中也會(huì)出現(xiàn)，非常有趣。

不過(guò)，科學(xué)家進(jìn)一步找到了使它在常溫下穩(wěn)定維持液態(tài)的方法——制成合金，使它處于一種特殊的非晶狀態(tài)。如鎵和銦可以形成低熔點(diǎn)合金，含25%銦的鎵合金在16℃時(shí)便熔化，Galinstan合金（68.5%鎵、21.5%銦和10%錫）在常溫下也是液態(tài)的。這兩種合金都能造出液態(tài)的“金屬機(jī)器人”。

金屬也可以變形？

事實(shí)上，這個(gè)“金屬機(jī)器人”沒(méi)有想象中那么神奇，也不能變成科幻電影里的那種人類狀態(tài)，它只是個(gè)能自己滿地爬的合金液滴。不過(guò)，這也相當(dāng)了不起，至少看起來(lái)已經(jīng)像個(gè)低等的小生命了。

早在它被制造出來(lái)之前，研究小組就對(duì)鎵合金的變形特性進(jìn)行了多年研究，鑒于鎵合金有很好的導(dǎo)電性，于是研究小組有了一個(gè)大膽的想法——用它來(lái)修復(fù)斷開(kāi)的神經(jīng)！他們將這種合金注射到青蛙腓腸肌中被剪斷的坐骨神經(jīng)部位，然后施加刺激，神經(jīng)興奮會(huì)產(chǎn)生生物電信號(hào)，而鎵合金以導(dǎo)體身份連接了神經(jīng)破損的部位。結(jié)果，斷掉的神經(jīng)恢復(fù)了傳導(dǎo)功能。而且，鎵合金沒(méi)有毒性，不會(huì)被人體吸收，又有很高的X射線反射率，在神經(jīng)修復(fù)后可以很容易找到并將之抽出，這一研究為神經(jīng)修復(fù)開(kāi)辟了新途徑。

在不斷的研究過(guò)程中，研究小組還發(fā)現(xiàn)了鎵合金的電控變形現(xiàn)象：當(dāng)鎵作為一極的時(shí)候，比如說(shuō)正極，在導(dǎo)電溶液管道中，它會(huì)像蚯蚓一樣自我伸長(zhǎng)去連接負(fù)極。其背后的原理是，液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)。說(shuō)得簡(jiǎn)單點(diǎn)，就是電流在通過(guò)水體傳播的時(shí)候，會(huì)對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生類似靜電吸附的拉力，而逐漸將它拉長(zhǎng)。而如果在開(kāi)放的非管道環(huán)境內(nèi)，這種液態(tài)金屬就會(huì)變得像章魚(yú)一樣，伸出很多觸手了。如果使用多個(gè)電極，那它的形態(tài)是不是會(huì)變得更加復(fù)雜？我們是不是能夠借助電極的力量設(shè)計(jì)它的形態(tài)？如果是使用超大規(guī)模集成電路呢？那么，控制金屬變形也許不再是夢(mèng)想。

金屬生命終將出現(xiàn)？

故事到這兒還遠(yuǎn)未結(jié)束，研究小組很快就針對(duì)鎵合金的電控變形這一特征有了新想法，假如鎵合金能自己產(chǎn)生電流，那是不是就更好玩了呢？它會(huì)變成什么樣子？

他們想到了給鎵合金液滴喂鋁當(dāng)“食物”。鋁的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，但是我們生活中接觸的鋁卻非常穩(wěn)定，可以做成器具，其原因是鋁能與空氣中的氧氣反應(yīng)形成氧化鋁，這是一層能夠覆蓋在鋁表面的致密保護(hù)膜，阻止鋁的進(jìn)一步化學(xué)變化。如果沒(méi)有這層氧化鋁薄膜，你要是用鋁盆來(lái)端水，樂(lè)子可就大了，鋁會(huì)迅速和水反應(yīng)生成氫氧化鋁和氫氣，然后在劇烈的冒泡兒反應(yīng)中，你手里的鋁盆漏了……

但是，鎵合金能破壞掉鋁的這層保護(hù)膜，特別是在氫氧化鈉溶液中更能引發(fā)深層次的反應(yīng)。于是，當(dāng)塞進(jìn)一小片鋁的時(shí)候，鋁在氫氧化鈉溶液中開(kāi)始反應(yīng)，生成氫氧化鋁和氫氣，氫氧化鋁是酸堿兩性的，遇到強(qiáng)堿氫氧化鈉會(huì)以鋁酸的形式反應(yīng)，生成鋁酸鈉和水。鋁片就這樣一點(diǎn)一點(diǎn)被消耗，然后溶解在水中，化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)產(chǎn)生了電子的傳遞，也就是電流，這些電流引起了鎵合金的變形。由于金屬小球前后受到的壓力不平衡，引起了它的自旋，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的小氣泡也會(huì)推動(dòng)它前進(jìn)，它就這樣“滾”起來(lái)了、“爬”起來(lái)了。于是，在氫氧化鈉溶液或者鹽水中，它就像一個(gè)小小的生命一樣，可以從管道的一頭爬到另一頭，一秒鐘5厘米，一小塊鋁片就能讓它活躍上1小時(shí)。等鋁片反應(yīng)完，它就又“餓”了，需要再來(lái)一點(diǎn)鋁才能補(bǔ)滿能量。這也許就是液態(tài)機(jī)械生命體邁出的第一步？

更厲害的是，如果把它固定起來(lái)，它的自旋運(yùn)動(dòng)就會(huì)像水泵一樣把水抽過(guò)管子，小家伙就變身成了一個(gè)微型的自行馬達(dá)。當(dāng)然，現(xiàn)在這個(gè)液態(tài)金屬馬達(dá)是毫米級(jí)和厘米級(jí)的，離可以投入應(yīng)用的大型馬達(dá)還有距離，要制造出那樣的宏觀馬達(dá)還有困難，比如需要更加強(qiáng)大的動(dòng)力。盡管如此，一種全新的、能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的動(dòng)力系統(tǒng)，已經(jīng)被科學(xué)家揭開(kāi)了神秘的一角，至少研制液態(tài)金屬機(jī)器人有了一項(xiàng)理論和技術(shù)基礎(chǔ)。