作为一大类新兴的多能性材料,低熔点液态金属(liquid metals,LMs)具有高导热性、高导电性、低黏度、良好柔软度和生物相容性,常温下易于在液相和固相之间转换,在能源热控 [1-4] (如高导热的冷却剂、多功能界面材料和相变材料等)、增材制造与3D打印 [5,6] 、生物医学 [7-9] (如骨填充、神经重建、高对比度成像、药物递送和肿瘤治疗等)、印刷电子(如柔性电路 [10] 、半导体 [11] 、传感器 [12] 、自愈执行器 [13] 、可重构电子元件和功能电子器件 [14] 等)、微流体 [15-17] 、柔性机器 [18] (包括微纳马达、自驱动马达)等领域发挥了日益重要的作用。宏观液态金属具有较大的表面张力,各种物理化学性能并不完善,在有关应用上仍存在诸多技术限制。因此,从有别于宏观材料的小尺度乃至微观尺度出发予以探索,往往孕育着新的发展机遇[ 2-4 , 19 ]。
当液态金属尺寸变得更小,比如进入微米、纳米尺度甚至量子尺度,会展现出许多与常规宏观材料不同的行为,这实际上成为研发液态金属新材料的出发点 [2-4] 。缩小液态金属的物理尺寸、增加其比表面积并进行表面修饰可显著改善液态金属的物理、化学和生物特性,对于提升液态金属在生物材料、微纳机器、印刷电子、热管理、植入式柔性电子等领域的特殊应用至关重要。在生物医学应用方面,由于液态金属纳米颗粒体积小、低剂量(对应低毒性)和对人体内部微环境存在独特的刺激反应,使液态金属纳米颗粒更适合于药物运输 [20] 。此外,在增材制造方面,纳米液态金属颗粒使得高分辨率印刷电子成为可能。在热管理方面,纳米颗粒强化将催生出自然界导热率最高的液体材料甚至终极冷却剂 [4] ,而液态金属经受部分氧化而改性后形成的纳米氧化物颗粒将显著提升液态金属热界面材料与基底的黏附性 [1] ,由此使得相应材料可规模化用于工业封装。更多的材料革新丰富多彩,此方面不一而足。毫无疑问,当液态金属与纳米技术相遇 [2] ,将衍生出诸多理论与应用技术发展空间。
本章扼要介绍液态金属颗粒典型物理化学性质,并讨论可变形的柔性纳米材料代表性应用。总的说来,纳米改性液态金属材料与传统材料具有良好的兼容性,促成了一系列目标性能的增强,打开了许多潜在的应用领域,同时也引申出诸多科学与技术挑战,这将在未来展望部分作简要介绍。