液態(tài)金屬的應(yīng)用

姚飛

【摘 要】液態(tài)金屬作為一種新型材料，它的出現(xiàn)引起了各國(guó)廣泛的興趣，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究，已經(jīng)初步將它應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域，本文將簡(jiǎn)單介紹它在電池領(lǐng)域、電力設(shè)備領(lǐng)域、生物醫(yī)療領(lǐng)域和計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】液態(tài)金屬;應(yīng)用

中圖分類號(hào)： G633.98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0129-003

0 引言

一般而言，金屬都是以固態(tài)的形式出現(xiàn)在人們的視野中，也是以固態(tài)的形式被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，但是也有一些特殊的金屬被人類所發(fā)現(xiàn)并被加以利用，最典型的就是以汞為代表的液態(tài)金屬。

液態(tài)金屬，指的是一種不定型的金屬，可以把它看做正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態(tài)金屬具有極為優(yōu)越的性能。在精度方面，液態(tài)金屬成型的產(chǎn)品可以和機(jī)器加工產(chǎn)品的工藝一爭(zhēng)高下，并且沒有附加成本與廢棄材料。在抗腐蝕性能方面，液態(tài)金屬合金也展現(xiàn)出了超常的能力，尤其在工業(yè)應(yīng)用中能發(fā)揮更大的作用，如食品加工、醫(yī)療設(shè)備、戶外運(yùn)動(dòng)設(shè)備、航海產(chǎn)品等方面。對(duì)于其他金屬而言，如果不做拋光、研磨等二次加工，是無法達(dá)到這種精度的，而在許多領(lǐng)域，金屬的反光性能是極為重要的，液態(tài)金屬合金的光潔度就能夠達(dá)到高光反射的效果，而且還能進(jìn)行拋光，還不必犧牲其他的性能。此外，液態(tài)金屬合金屬于無磁性材料，而且與其他磁性物體接觸也不會(huì)沾染任何磁性。因此可應(yīng)用于核磁共振設(shè)備的組件，電磁開關(guān)的外殼，或是高射頻功率領(lǐng)域。因此液態(tài)金屬不僅具備優(yōu)質(zhì)功能，還能以注塑方式成型，使得設(shè)計(jì)者有了更大的發(fā)揮空間。此外，其一次性凈成型的特質(zhì)也在很大程度上節(jié)省了加工成本，最大限度地提升了效率。液態(tài)金屬擁有的眾多優(yōu)勢(shì)，使其擁有極為廣闊的應(yīng)用空間，在電池、電力設(shè)備、生物醫(yī)療和計(jì)算等領(lǐng)域都能夠發(fā)揮極大的作用。

1 液態(tài)金屬電池的應(yīng)用

1.1 液態(tài)金屬電池的原理

液態(tài)金屬電池由兩個(gè)液態(tài)金屬電極和熔融鹽電解質(zhì)組成，正極材料通常是錫一類的過渡金屬單質(zhì)或合金，負(fù)極材料通常采用的是堿金屬或堿土金屬的單質(zhì)或合金。電池放電時(shí)，負(fù)極金屬材料失去的電子對(duì)外電路做功，而失去電子產(chǎn)生的陽離子則經(jīng)過熔融鹽移動(dòng)到電池正極附近，發(fā)生還原反應(yīng)，并與正極金屬形成新的合金。當(dāng)電池充電時(shí)，上述過程逆向進(jìn)行。

1.2 液態(tài)金屬電池的性能特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的蓄能電池電池相比，液態(tài)金屬電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）制備工藝簡(jiǎn)單;（2）原料儲(chǔ)備豐富;（3）可大電流充放電;（4）使用壽命長(zhǎng)。所有的這些優(yōu)點(diǎn)都是液態(tài)金屬特有的，這使其在儲(chǔ)能方面得到廣泛的運(yùn)用。

沒有任何一件事物的完美的，就連如此完美的液態(tài)金屬也有自己的不足之處：（1）工作溫度較高;（2）平衡電壓比較低;（3）理論能量密度較低;（4）不可移動(dòng)。[1]

1.3 液態(tài)金屬電池的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

2006年，MIT重新啟動(dòng)了液態(tài)金屬的研究，首先研究了自放電速率高的Na-Bi體系，轉(zhuǎn)而研究了Ca-Bi[2-3]、Mg-Sb[4]、Li-Pb-Sb[5]、Li-Bi[6]等體系，其中Li-Pb-Sb體系顯示出優(yōu)異的庫倫效率和較低的實(shí)驗(yàn)成本。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合各種因素的影響，發(fā)現(xiàn)Mg-Sb電池不具有商業(yè)價(jià)值，只能當(dāng)做實(shí)驗(yàn)設(shè)備用。而Li-Bi體系電池的穩(wěn)定性優(yōu)良，其應(yīng)用范圍將會(huì)很廣泛。[7]

盡管液態(tài)電池具有優(yōu)異的性能，但如果將它大規(guī)模用于生活中還將面對(duì)很大的挑戰(zhàn)，液態(tài)金屬較高的溫度工作范圍和負(fù)極活性金屬容易腐蝕電池會(huì)大幅度降低電池的使用價(jià)值，從研究結(jié)果來看[7]，Na基電池存在高的自放電速率;Ca基電池負(fù)極鈣的熔點(diǎn)高;Mg基電池放電電壓較低;K基、Ba基成分的成木較高，這些電池都存在各種各樣的挑戰(zhàn)，暫時(shí)還不能用于液態(tài)電池。

2 液態(tài)金屬在電力設(shè)備中的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)階段電力設(shè)備所面臨的問題

現(xiàn)在電力設(shè)備迅速發(fā)展到了沒個(gè)領(lǐng)域，大功率電力設(shè)備的熱管理也就成了需要解決的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)前主要的散熱技術(shù)則是水冷，但在溫度過高的環(huán)境中，水冷也遇到了阻礙。一方面，水的導(dǎo)熱系數(shù)低，單位體積在單位時(shí)間內(nèi)帶走的熱量有可能還比不上設(shè)備單位時(shí)間的產(chǎn)熱量;另一方面，水的沸點(diǎn)太低，高熱流時(shí)容易發(fā)生沸騰相變，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。[8-9]因此，現(xiàn)在的市場(chǎng)急需一種新的散熱技術(shù)的出現(xiàn)，而液態(tài)金屬雖然作為近些年高端的散熱，但從未當(dāng)做電力設(shè)備的冷卻介質(zhì)使用過。

2.2 液態(tài)金屬做冷卻介質(zhì)的研究歷程

A.Miner[10]等進(jìn)行了對(duì)液態(tài)金屬冷卻高功率密度芯片這種新型芯片的研究，研究的結(jié)果表明：液態(tài)金屬可達(dá)到lOW/（cm2·K）的對(duì)流換熱效率，這完全能夠解決熱流密度大于100W/cm2的散熱難題，這個(gè)結(jié)果不得不讓人為之振奮。基于前者的研究結(jié)果，U .Ghoshal[11]等開展了對(duì)液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)的研究，其實(shí)驗(yàn)中功率密度突破了常規(guī)，達(dá)到了200W/cm2，對(duì)流換熱系數(shù)最高可到20W/（cm2·K） 。中國(guó)電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能與電工新技術(shù)研究所的李振明[12]教授與他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了液態(tài)金屬和水的對(duì)流換熱系數(shù)和導(dǎo)熱率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)表明，在同種條件下，冷卻介質(zhì)如果從水換成液態(tài)金屬，系統(tǒng)熱阻可減少0. 014K/W;如果再次將界面材料換成液態(tài)金屬，則散熱系統(tǒng)熱阻最大可再降低0.005K/W。

2.3 液態(tài)金屬做冷卻介質(zhì)的特點(diǎn)

與水冷相比，液態(tài)金屬散熱技術(shù)具有天然的優(yōu)勢(shì)[13-15]：（1）液態(tài)金屬導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于水，散熱性能也更好;（2）液態(tài)金屬可采用電磁泵驅(qū)動(dòng)，且不需要運(yùn)動(dòng)部件，耗能低，污染小;（3）液態(tài)金屬沸點(diǎn)高，表面張力大，相較于水不易出現(xiàn)沸騰、泄露和蒸發(fā)問題，更加安全穩(wěn)定。但是，如果要將液態(tài)金屬完全應(yīng)用到電力領(lǐng)域當(dāng)中，不僅要考慮液態(tài)金屬的的熱物理性能，還要考慮它的安全性、導(dǎo)電性和腐蝕性。若應(yīng)用在有絕緣要求的對(duì)象上，在使用前必須進(jìn)行有效絕緣或隔離的專門化設(shè)計(jì);對(duì)于既需導(dǎo)電又需冷卻的應(yīng)用對(duì)象，液態(tài)金屬非常契合。液態(tài)金屬未來可在高熱流密度電力設(shè)備冷卻技術(shù)中推廣應(yīng)用。

3 液態(tài)金屬在生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

在液態(tài)金屬研究上，我國(guó)目前已處于領(lǐng)跑者地位。來自聯(lián)合小組的湯劍波[16]等還發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬具有“細(xì)胞行為”，所謂的“胞吞行為”，就是液態(tài)金屬液滴在室溫環(huán)境下，分別通過化學(xué)物質(zhì)觸發(fā)、陰極極化觸發(fā)、輔助金屬物觸發(fā)的機(jī)制，在鹽酸溶液、氯化鈉溶液和氫氧化鈉溶液中迅速吞噬其液滴表面的銅顆粒，并在也低表面留下氣泡。這一現(xiàn)象與細(xì)胞行為中的胞吞相當(dāng)類似，細(xì)胞通過胞吞攝取周圍的大分子物質(zhì)。與此類似，液態(tài)金屬液滴通過“胞吞”吞噬其液滴表面的銅顆粒，并向外界釋放出氣體，這完全可以看做是液態(tài)金屬液滴與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)能量交換的一種方式[17]。

幾千年來，人類一直嘗試著去理解生命，但直到現(xiàn)在都沒有一個(gè)能讓世界公認(rèn)的定義。雖然生命這種東西很難給它一個(gè)準(zhǔn)確的定義，但是一個(gè)完整的生命通常包括以下幾個(gè)特征[18]：一是存在非平衡耗散系統(tǒng)，能以轉(zhuǎn)化與環(huán)境之間的能量的方式來保持低熵狀態(tài);二是由與外部環(huán)境存在熱力學(xué)不平衡的有界隔室組成，并能夠以自我復(fù)制的方式進(jìn)行遺傳信息的傳遞;三是有自主性和自我維護(hù)機(jī)制;四是能進(jìn)行新陳代謝，并能及時(shí)的應(yīng)對(duì)外界的刺激。液態(tài)金屬的這種“類生物行為”的發(fā)現(xiàn)，將會(huì)讓人類對(duì)生命有一個(gè)更好的理解。

3.2 在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

在解決一些醫(yī)學(xué)上的難題時(shí)，液態(tài)金屬也有大展拳腳的空間。人體遍布著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)一但受損或者斷裂，其再生過程尤為緩慢，有的甚至需要好幾年。但在其再生過程中，受損的神經(jīng)相應(yīng)的肌肉由于長(zhǎng)時(shí)間接受不到神經(jīng)傳遞的信號(hào)，肌肉功能將會(huì)萎縮或減退，甚至還會(huì)造成不可逆的功能喪失。因此，神經(jīng)一但受損，最好的方式就是盡快的修復(fù)，避免出現(xiàn)肌肉功能的喪失。就當(dāng)前的醫(yī)學(xué)技術(shù)而言，大多數(shù)都是采用的自體神經(jīng)移植的方法來進(jìn)行治療的，但由于各種因素的影響，神經(jīng)修復(fù)替代材料的選擇一直困擾著臨床醫(yī)學(xué)界。但是液態(tài)金屬的問世與應(yīng)用，逐漸讓醫(yī)學(xué)家們看到了希望。有實(shí)驗(yàn)表明：若能將處于恢復(fù)期的肌肉神經(jīng)信息持續(xù)地向目標(biāo)傳送，可大為提升神經(jīng)的修復(fù)速度并促使其恢復(fù)原有功能。因此，科學(xué)家們嘗試著將一些在生物體溫度環(huán)境中為液態(tài)的金屬植入生物體中，并將其作為神經(jīng)信號(hào)傳遞的通路，令其與未損壞的神經(jīng)組織在信號(hào)傳導(dǎo)上具有高度的一致性。液態(tài)金屬被植入生物體后，不僅能降低肌肉功能喪失的風(fēng)險(xiǎn)，提高神經(jīng)再生速度，更可迅速搭建起已斷裂的神經(jīng)之間的信號(hào)通路與再生空間。此外，液態(tài)金屬本身就是一種金屬，在X射線下具有極強(qiáng)的顯影性。等到神經(jīng)修復(fù)工作完成后，臨床專家可在X射線的照射下，用注射器將液態(tài)金屬?gòu)纳矬w中取出，從而避免了二次手術(shù)可能對(duì)生物體造成的額外傷害[19]。

4 液態(tài)金屬在計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 在普通計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

在計(jì)算領(lǐng)域，人們一直在追求者速度與準(zhǔn)確性。在液態(tài)金屬諸多神奇應(yīng)用中，在計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用更能引起科學(xué)家的注意。與一般的導(dǎo)電解質(zhì)不同，液態(tài)金屬在不同的環(huán)境下?lián)碛胁煌膶?dǎo)電性，這一變化雖然看起來沒多大用處，但對(duì)于革新計(jì)算可能有重大價(jià)值。液態(tài)金屬的這種性質(zhì)，可以使它成為計(jì)算的核心邏輯單元，從而有了創(chuàng)造新型計(jì)算機(jī)的可行性。

如果把液態(tài)金屬應(yīng)用在計(jì)算領(lǐng)域中，不僅能計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，還有可能會(huì)開啟計(jì)算機(jī)的新時(shí)代。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能按照指令依次執(zhí)行每個(gè)程序，前面的程序如果出現(xiàn)的問題，后面的程序就沒辦法完成，而液態(tài)金屬計(jì)算機(jī)不同，它能同事執(zhí)行多個(gè)指令，達(dá)到多程序同時(shí)完成的效果，運(yùn)算速率也就大幅度提升了。液態(tài)金屬還具備不定型性，能夠制作柔性的液體電子單元甚至連半導(dǎo)體單元也有可能，若果能實(shí)現(xiàn)，這將會(huì)改變現(xiàn)在電腦體積大，難以攜帶的現(xiàn)狀。此外，液態(tài)金屬產(chǎn)熱量小，散熱性能好，這使得計(jì)算機(jī)的壽命得以延長(zhǎng)。

4.2 在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

量子計(jì)算機(jī)的研究一直是普遍的關(guān)注點(diǎn)。量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的方法是量子疊加和量子糾纏，這是和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最大的不同之處。這種運(yùn)算模式使得量子計(jì)算機(jī)算法的上限和潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)都高于傳統(tǒng)算法。但是，中科院的研究員劉靜認(rèn)為，在主要運(yùn)算元件和實(shí)現(xiàn)物理算法的方法上，當(dāng)代的量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比沒有什么領(lǐng)先的地方，都是固態(tài)元件構(gòu)成的。比如，量子計(jì)算機(jī)的一種核心邏輯單元——超導(dǎo)隧道效應(yīng)器件，它一般由中間層和兩側(cè)共同組成，中間層是一塊絕緣的薄層，兩側(cè)是導(dǎo)電介質(zhì)電極。由于這些結(jié)構(gòu)是固體，外形無法改變，如果制造出來，大多數(shù)情況下只能按它特定結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，其運(yùn)算能力和應(yīng)用相應(yīng)地也會(huì)受到限制。因此，他的團(tuán)隊(duì)提出了一種新的全液態(tài)量子器件的制備方法。由于液態(tài)金屬具有可變形性、表面易于達(dá)到完美光滑度等特性，他們通過操控力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多種物理場(chǎng)來改變?nèi)簯B(tài)量子器件中間液層的厚度，最終使得液膜間隙極其小甚至說沒有間隙，這不僅滿足了運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)的尺寸要求，更使整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)具備了高度的靈活性、智能性和可控性[20]。使得量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展前進(jìn)里一大步。

5 結(jié)論

液態(tài)金屬作為一種新型的功能材料，已經(jīng)展現(xiàn)出了它對(duì)當(dāng)代科技進(jìn)步所具有的重要意義，有望在電池、電力設(shè)備、生物醫(yī)療和計(jì)算等領(lǐng)域帶來顛覆性的改變，并衍生出更多有利于人類的發(fā)明。

但是，液態(tài)金屬的一些深入的物理機(jī)理還尚未明確，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用還存在許多尚未解決的關(guān)鍵性問題。比如，當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)特性，還只能說理論上能用來制造機(jī)器人，要將其應(yīng)用于實(shí)際，甚至說造出像電影里的終結(jié)者一樣的機(jī)器人，都還需要做更多的實(shí)驗(yàn)，又如，液態(tài)金屬想要真正的被當(dāng)做修復(fù)神經(jīng)的材料，還需要考慮各種各樣的因素，做更多的研究，探索它的作用機(jī)制以及在人體長(zhǎng)時(shí)間停留是否安全。液態(tài)金屬?gòu)V泛的應(yīng)用前景還有待我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。

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