液態(tài)金屬鎵：“柔”性材料的“硬”核 科技

提到液態(tài)金屬，同學(xué)們通常會(huì)聯(lián)想到科幻電影《終結(jié)者2》里不茍言笑的機(jī)器人殺手T-1000。他能聚能散，能屈能伸：上一秒是一攤鐵水，下一秒就變成冷酷猛男。他能隱形，攔不住、甩不掉，“液態(tài)金屬”似乎和陰魂不散畫上了等號(hào)。

從形態(tài)上看，這液態(tài)金屬就像幾十年前人們常用的體溫計(jì)里裝的汞，也就是我們常說(shuō)的水銀。如今，隨著人們對(duì)汞的危害了解增多，以汞為原料的體溫計(jì)逐漸退出了家庭。如果你現(xiàn)在還想買液體體溫計(jì)，也許能遇上我們本期的主角——鎵（ji?。?。

鎵是化學(xué)史上第一種先由理論預(yù)言，而后在自然界中被發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證的化學(xué)元素。1871年，編制了世界上第一張?jiān)刂芷诒淼亩韲?guó)化學(xué)家門捷列夫根據(jù)自己總結(jié)的元素周期規(guī)律，提出了一個(gè)預(yù)測(cè)：自然界中存在一種原子量大約是68、密度5.9g/cm3、性質(zhì)與鋁相似的元素，它應(yīng)被排列在元素周期表中鋁元素的下方。

門捷列夫的這一預(yù)測(cè)，在1875年被法國(guó)化學(xué)家布瓦博得朗證實(shí)。他在觀察從閃鋅礦礦石中提取的鋅的原子光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一條新的紫色色帶，他意識(shí)到，這條色帶對(duì)應(yīng)著一種未知的新元素。布瓦博得朗提取并提純了這種新的金屬，并證明了它的性質(zhì)確實(shí)與鋁相似。這種元素被布瓦博得朗以祖國(guó)法國(guó)的曾用名“高盧”命名，中文寫做“鎵”。

鎵在自然界中“隱藏”得很深，它熔點(diǎn)僅有29.78℃，沸點(diǎn)卻高達(dá)2403℃，因此多數(shù)時(shí)候都以液體的形態(tài)在各類物質(zhì)中四處“游蕩”，很少獨(dú)立存在。鎵在鋁土礦、閃鋅礦、黃鐵礦等礦石中含量很少，只有化學(xué)家們?cè)诟邷刈茻V石時(shí)，它才會(huì)以化合物的形式揮發(fā)出來(lái)，還要經(jīng)過(guò)多種提純手段精煉，才能得到純粹的鎵。如果沒有門捷列夫的預(yù)言，也許鎵的真面目還不能那么快被揭開。

《終結(jié)者2》里神通廣大的機(jī)器人殺手能隨心所欲地變成任何形狀，甚至可以穿墻入室完成任務(wù)，被武器擊毀后也能自動(dòng)愈合，簡(jiǎn)直讓人束手無(wú)策。如果現(xiàn)實(shí)中人們也要造這樣一個(gè)機(jī)器人，那么鎵無(wú)疑是目前能找到的最適宜的材料。2014年9月，美國(guó)北卡羅來(lái)納州的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種可自我修復(fù)的變形液態(tài)金屬，人類離打造變形機(jī)器人的目標(biāo)更近了一步。

科學(xué)家們使用鎵和銦形成一種固溶合金，它在室溫下就可以成為液態(tài)。這種液態(tài)合金的表面張力很高，在不受外力的情況下，能保持一個(gè)幾乎完美的球形。同時(shí)，它對(duì)電流很敏感，只要有少量電流通過(guò)，其表面張力就會(huì)降低，球形的金屬“水珠”迅速“融化”成一攤“水”;而如果取消電流，它又會(huì)慢慢聚成一個(gè)球。更改電壓大小，還可以調(diào)整它的表面張力和粘稠度，從而令其變?yōu)椴煌慕Y(jié)構(gòu)。這樣的話，只需要改變電流，制造一個(gè)可變形的液態(tài)機(jī)器人就不再是幻想。

這種變形機(jī)器人還可以自主“進(jìn)食”和運(yùn)動(dòng)。2015年，中國(guó)科學(xué)院和清華大學(xué)的聯(lián)合研究小組研發(fā)出世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器人：當(dāng)鎵基液態(tài)合金被置于電解液中時(shí)，它可以鋁為“食物”，通過(guò)“攝入”鋁獲得能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)顯示，一小片鋁即可驅(qū)動(dòng)直徑約5毫米的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1個(gè)多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，速度高達(dá)每秒5厘米。

液態(tài)機(jī)器人看起來(lái)充滿了科技感，但就像電影中呈現(xiàn)的那樣，它很可能會(huì)失控給人類造成負(fù)擔(dān)，因此科學(xué)家們暫時(shí)還沒有制造液體機(jī)器人的想法。但是，用鎵制造的合金無(wú)疑給人類推開了一扇新世界的大門。

芯片是現(xiàn)代社會(huì)最重要的科技元件之一，我們每天玩的手機(jī)、用的電腦、看的電視、聽的音響，里面都有芯片。若沒有芯片，就沒有現(xiàn)代世界里輕巧又好用的高科技產(chǎn)品;而芯片的出現(xiàn)離不開半導(dǎo)體。半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，隨著溫度、電場(chǎng)方向等因素的變化，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。正是因?yàn)榫哂羞@樣的特性，半導(dǎo)體才能實(shí)現(xiàn)可控導(dǎo)電和通信等功能。

人們用以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體取代了笨重的電子管，制出了以芯片為代表的集成電路，推動(dòng)了微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的飛躍。然而，盡管硅擁有很多優(yōu)越的電子特性，但經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，這些特性已經(jīng)快被用到極限，科學(xué)家已很難用硅再造出性能更優(yōu)異的芯片，他們一直在尋找能替代的半導(dǎo)體材料，以制造未來(lái)的電子設(shè)備。這時(shí)候，化合物半導(dǎo)體進(jìn)入了科學(xué)家的視野。

化合物半導(dǎo)體是指由兩種或兩種以上元素形成的、具有半導(dǎo)體性質(zhì)的化合物。1928年，科學(xué)家用2000℃以上的高溫和近萬(wàn)個(gè)大氣壓的苛刻條件，將金屬鎵和氮?dú)夂铣蔀橐环N新的化合物半導(dǎo)體材料——氮化鎵。當(dāng)時(shí)他們沒有想到，在經(jīng)歷了將近一個(gè)世紀(jì)不溫不火的狀態(tài)后，氮化鎵這種半導(dǎo)體材料煥發(fā)出了新的生機(jī)。

與硅、鍺等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，氮化鎵擁有更大的帶寬、更高的漏極效率、更強(qiáng)的耐熱性、更高的擊穿電壓、更強(qiáng)的抗輻射能力和更強(qiáng)的壓電性。這些優(yōu)勢(shì)使氮化鎵更適合制作大功率高頻的功率器件，實(shí)現(xiàn)器件體積更小、功率密度更大。

在電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)氮化鎵技術(shù)，能夠?qū)㈦娫聪到y(tǒng)中的大部分功能和控制電路集成在一顆小芯片內(nèi)，從而讓印制電路板上的電路更加精簡(jiǎn)。得益于氮化鎵芯片的應(yīng)用，我們現(xiàn)在使用的充電器實(shí)現(xiàn)了功率更高、充電速度更快、體積更小、散熱更優(yōu)等優(yōu)勢(shì)，成為一些廠商提升品牌價(jià)值的“競(jìng)爭(zhēng)武器”。

氮化鎵芯片制成的電子器件，可在200℃以上的高溫下工作;氮化鎵芯片應(yīng)用在電力電子器件中，可使系統(tǒng)能耗降低30%以上;氮化鎵芯片作為微波通信基站的核心材料，能使得基站傳輸覆蓋面積比目前提升1倍以上。

對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，氮化鎵芯片更是突破國(guó)外芯片技術(shù)封鎖的絕佳武器。因?yàn)榕c落后兩三代的硅基芯片相比，氮化鎵芯片產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)都處于起步階段，在氮化鎵芯片技術(shù)上中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家可謂并駕齊驅(qū)。

未來(lái)，氮化鎵芯片將在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域全面開花，鎵元素將從方方面面改變?nèi)藗兊纳睢?/p>