液態金屬的應用

姚飛

【摘 要】液態金屬作為一種新型材料，它的出現引起了各國廣泛的興趣，經過長時間的研究，已經初步將它應用到了諸多領域，本文將簡單介紹它在電池領域、電力設備領域、生物醫療領域和計算領域的應用。

【關鍵詞】液態金屬;應用

中圖分類號： G633.98 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）05-0129-003

0 引言

一般而言，金屬都是以固態的形式出現在人們的視野中，也是以固態的形式被應用到各個領域中，但是也有一些特殊的金屬被人類所發現并被加以利用，最典型的就是以汞為代表的液態金屬。

液態金屬，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。液態金屬具有極為優越的性能。在精度方面，液態金屬成型的產品可以和機器加工產品的工藝一爭高下，并且沒有附加成本與廢棄材料。在抗腐蝕性能方面，液態金屬合金也展現出了超常的能力，尤其在工業應用中能發揮更大的作用，如食品加工、醫療設備、戶外運動設備、航海產品等方面。對于其他金屬而言，如果不做拋光、研磨等二次加工，是無法達到這種精度的，而在許多領域，金屬的反光性能是極為重要的，液態金屬合金的光潔度就能夠達到高光反射的效果，而且還能進行拋光，還不必犧牲其他的性能。此外，液態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沾染任何磁性。因此可應用于核磁共振設備的組件，電磁開關的外殼，或是高射頻功率領域。因此液態金屬不僅具備優質功能，還能以注塑方式成型，使得設計者有了更大的發揮空間。此外，其一次性凈成型的特質也在很大程度上節省了加工成本，最大限度地提升了效率。液態金屬擁有的眾多優勢，使其擁有極為廣闊的應用空間，在電池、電力設備、生物醫療和計算等領域都能夠發揮極大的作用。

1 液態金屬電池的應用

1.1 液態金屬電池的原理

液態金屬電池由兩個液態金屬電極和熔融鹽電解質組成，正極材料通常是錫一類的過渡金屬單質或合金，負極材料通常采用的是堿金屬或堿土金屬的單質或合金。電池放電時，負極金屬材料失去的電子對外電路做功，而失去電子產生的陽離子則經過熔融鹽移動到電池正極附近，發生還原反應，并與正極金屬形成新的合金。當電池充電時，上述過程逆向進行。

1.2 液態金屬電池的性能特點

與傳統的蓄能電池電池相比，液態金屬電池具有以下優點：（1）制備工藝簡單;（2）原料儲備豐富;（3）可大電流充放電;（4）使用壽命長。所有的這些優點都是液態金屬特有的，這使其在儲能方面得到廣泛的運用。

沒有任何一件事物的完美的，就連如此完美的液態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。[1]

1.3 液態金屬電池的研究現狀及應用前景

2006年，MIT重新啟動了液態金屬的研究，首先研究了自放電速率高的Na-Bi體系，轉而研究了Ca-Bi[2-3]、Mg-Sb[4]、Li-Pb-Sb[5]、Li-Bi[6]等體系，其中Li-Pb-Sb體系顯示出優異的庫倫效率和較低的實驗成本。經過實驗研究，并結合各種因素的影響，發現Mg-Sb電池不具有商業價值，只能當做實驗設備用。而Li-Bi體系電池的穩定性優良，其應用范圍將會很廣泛。[7]

盡管液態電池具有優異的性能，但如果將它大規模用于生活中還將面對很大的挑戰，液態金屬較高的溫度工作范圍和負極活性金屬容易腐蝕電池會大幅度降低電池的使用價值，從研究結果來看[7]，Na基電池存在高的自放電速率;Ca基電池負極鈣的熔點高;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，暫時還不能用于液態電池。

2 液態金屬在電力設備中的應用

2.1 現階段電力設備所面臨的問題

現在電力設備迅速發展到了沒個領域，大功率電力設備的熱管理也就成了需要解決的關鍵問題之一。當前主要的散熱技術則是水冷，但在溫度過高的環境中，水冷也遇到了阻礙。一方面，水的導熱系數低，單位體積在單位時間內帶走的熱量有可能還比不上設備單位時間的產熱量;另一方面，水的沸點太低，高熱流時容易發生沸騰相變，影響系統的穩定性。[8-9]因此，現在的市場急需一種新的散熱技術的出現，而液態金屬雖然作為近些年高端的散熱，但從未當做電力設備的冷卻介質使用過。

2.2 液態金屬做冷卻介質的研究歷程

A.Miner[10]等進行了對液態金屬冷卻高功率密度芯片這種新型芯片的研究，研究的結果表明：液態金屬可達到lOW/（cm2·K）的對流換熱效率，這完全能夠解決熱流密度大于100W/cm2的散熱難題，這個結果不得不讓人為之振奮。基于前者的研究結果，U .Ghoshal[11]等開展了對液態金屬散熱系統的研究，其實驗中功率密度突破了常規，達到了200W/cm2，對流換熱系數最高可到20W/（cm2·K） 。中國電力科學研究院儲能與電工新技術研究所的李振明[12]教授與他的團隊進行了液態金屬和水的對流換熱系數和導熱率對比實驗，該實驗表明，在同種條件下，冷卻介質如果從水換成液態金屬，系統熱阻可減少0. 014K/W;如果再次將界面材料換成液態金屬，則散熱系統熱阻最大可再降低0.005K/W。

2.3 液態金屬做冷卻介質的特點

與水冷相比，液態金屬散熱技術具有天然的優勢[13-15]：（1）液態金屬導熱率遠高于水，散熱性能也更好;（2）液態金屬可采用電磁泵驅動，且不需要運動部件，耗能低，污染小;（3）液態金屬沸點高，表面張力大，相較于水不易出現沸騰、泄露和蒸發問題，更加安全穩定。但是，如果要將液態金屬完全應用到電力領域當中，不僅要考慮液態金屬的的熱物理性能，還要考慮它的安全性、導電性和腐蝕性。若應用在有絕緣要求的對象上，在使用前必須進行有效絕緣或隔離的專門化設計;對于既需導電又需冷卻的應用對象，液態金屬非常契合。液態金屬未來可在高熱流密度電力設備冷卻技術中推廣應用。

3 液態金屬在生物醫療等領域的應用

3.1 在生物領域的應用

在液態金屬研究上，我國目前已處于領跑者地位。來自聯合小組的湯劍波[16]等還發現液態金屬具有“細胞行為”，所謂的“胞吞行為”，就是液態金屬液滴在室溫環境下，分別通過化學物質觸發、陰極極化觸發、輔助金屬物觸發的機制，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。這一現象與細胞行為中的胞吞相當類似，細胞通過胞吞攝取周圍的大分子物質。與此類似，液態金屬液滴通過“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金屬液滴與外界環境進行物質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，但直到現在都沒有一個能讓世界公認的定義。雖然生命這種東西很難給它一個準確的定義，但是一個完整的生命通常包括以下幾個特征[18]：一是存在非平衡耗散系統，能以轉化與環境之間的能量的方式來保持低熵狀態;二是由與外部環境存在熱力學不平衡的有界隔室組成，并能夠以自我復制的方式進行遺傳信息的傳遞;三是有自主性和自我維護機制;四是能進行新陳代謝，并能及時的應對外界的刺激。液態金屬的這種“類生物行為”的發現，將會讓人類對生命有一個更好的理解。

3.2 在醫療領域的應用

在解決一些醫學上的難題時，液態金屬也有大展拳腳的空間。人體遍布著神經網絡，神經一但受損或者斷裂，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，受損的神經相應的肌肉由于長時間接受不到神經傳遞的信號，肌肉功能將會萎縮或減退，甚至還會造成不可逆的功能喪失。因此，神經一但受損，最好的方式就是盡快的修復，避免出現肌肉功能的喪失。就當前的醫學技術而言，大多數都是采用的自體神經移植的方法來進行治療的，但由于各種因素的影響，神經修復替代材料的選擇一直困擾著臨床醫學界。但是液態金屬的問世與應用，逐漸讓醫學家們看到了希望。有實驗表明：若能將處于恢復期的肌肉神經信息持續地向目標傳送，可大為提升神經的修復速度并促使其恢復原有功能。因此，科學家們嘗試著將一些在生物體溫度環境中為液態的金屬植入生物體中，并將其作為神經信號傳遞的通路，令其與未損壞的神經組織在信號傳導上具有高度的一致性。液態金屬被植入生物體后，不僅能降低肌肉功能喪失的風險，提高神經再生速度，更可迅速搭建起已斷裂的神經之間的信號通路與再生空間。此外，液態金屬本身就是一種金屬，在X射線下具有極強的顯影性。等到神經修復工作完成后，臨床專家可在X射線的照射下，用注射器將液態金屬從生物體中取出，從而避免了二次手術可能對生物體造成的額外傷害[19]。

4 液態金屬在計算領域的應用

4.1 在普通計算機中的應用

在計算領域，人們一直在追求者速度與準確性。在液態金屬諸多神奇應用中，在計算領域的應用更能引起科學家的注意。與一般的導電解質不同，液態金屬在不同的環境下擁有不同的導電性，這一變化雖然看起來沒多大用處，但對于革新計算可能有重大價值。液態金屬的這種性質，可以使它成為計算的核心邏輯單元，從而有了創造新型計算機的可行性。

如果把液態金屬應用在計算領域中，不僅能計算機的運算速度，還有可能會開啟計算機的新時代。傳統計算機只能按照指令依次執行每個程序，前面的程序如果出現的問題，后面的程序就沒辦法完成，而液態金屬計算機不同，它能同事執行多個指令，達到多程序同時完成的效果，運算速率也就大幅度提升了。液態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體單元也有可能，若果能實現，這將會改變現在電腦體積大，難以攜帶的現狀。此外，液態金屬產熱量小，散熱性能好，這使得計算機的壽命得以延長。

4.2 在量子計算機中的應用

量子計算機的研究一直是普遍的關注點。量子計算機實現邏輯運算的方法是量子疊加和量子糾纏，這是和傳統計算機最大的不同之處。這種運算模式使得量子計算機算法的上限和潛力遠遠都高于傳統算法。但是，中科院的研究員劉靜認為，在主要運算元件和實現物理算法的方法上，當代的量子計算機和傳統計算機相比沒有什么領先的地方，都是固態元件構成的。比如，量子計算機的一種核心邏輯單元——超導隧道效應器件，它一般由中間層和兩側共同組成，中間層是一塊絕緣的薄層，兩側是導電介質電極。由于這些結構是固體，外形無法改變，如果制造出來，大多數情況下只能按它特定結構去實現對應的功能，其運算能力和應用相應地也會受到限制。因此，他的團隊提出了一種新的全液態量子器件的制備方法。由于液態金屬具有可變形性、表面易于達到完美光滑度等特性，他們通過操控力場、電場、磁場等多種物理場來改變全液態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，這不僅滿足了運行量子計算機的尺寸要求，更使整個計算系統具備了高度的靈活性、智能性和可控性[20]。使得量子計算機的發展前進里一大步。

5 結論

液態金屬作為一種新型的功能材料，已經展現出了它對當代科技進步所具有的重要意義，有望在電池、電力設備、生物醫療和計算等領域帶來顛覆性的改變，并衍生出更多有利于人類的發明。

但是，液態金屬的一些深入的物理機理還尚未明確，其在各個領域的應用還存在許多尚未解決的關鍵性問題。比如，當前發現的液態金屬的運動特性，還只能說理論上能用來制造機器人，要將其應用于實際，甚至說造出像電影里的終結者一樣的機器人，都還需要做更多的實驗，又如，液態金屬想要真正的被當做修復神經的材料，還需要考慮各種各樣的因素，做更多的研究，探索它的作用機制以及在人體長時間停留是否安全。液態金屬廣泛的應用前景還有待我們去探索和發現。

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