加热后可随意揉捏,即拆即用,可以重复使用,成本只有几百元人民币……液态金属“外骨骼”照进现实>>>

撰文/记者 赵天宇 图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/陈炫之

采访专家:

刘静(清华大学医学院教授、中科院理化实验所研究员、液态金属外骨骼研发团队负责人)

俗话说伤筋动骨一百天,骨折后我们都需要打上几个月的厚厚石膏夹板,既不透气,行动上也不方便。但日前云南省曲靖市第一人民医院关节外科的住院患者冯秋艳用上了一种神奇的技术,让她从沉重的石膏中解脱出来。

▲曲靖市第一人民医院的医生使用液态金属“外骨骼”为患者冯秋艳固定脚踝(图片来自网络)

这种神奇的技术就是用液态金属构成的“外骨骼”,与传统的石膏相比,这种材料经加热后可随意揉捏,不仅解决了传统石膏的拆装不便,没有弹性等问题,还可反复使用。最为重要的是,这款由清华大学医学院教授刘静团队自主研制的新材料产品,已经由从实验室正式走向工厂的大规模生产阶段。未来科幻电影当中的“液态骨骼”场景,距离普通公众更近了。

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科幻大片中的液态金属变成现实

在科幻电影《终结者2:审判日》中,T-1000机器人给观众留下了深刻的印象——它由液态金属构成,能在固、液态之间随意转换,受到伤害以后也能像液体一样重新聚集,恢复原貌。

▲T-1000是电影《终结者2:审判日》中的反派机器人,它由液态金属构成,可以随意变形成任何形状,被子弹打中或者融化后,又可以重新复原(图片来自网络)

无法毁灭的液态金属机器人,在当时看来是天马行空的存在,如今却有了实现的可能。

何为液态金属?一般的金属材料晶体,是原子排列具有一定规律的物质,所以正常情况下金属是固态的。而液态金属的分子排列则是无规律的,即不定型金属,也称非晶合金或金属玻璃,是正离子流体与自由电子气组成的混合物,在常温下呈液态,拥有独特的原子结构。

通过围绕深熔点(也称为“共晶体”)合金组成的设计,可以将合金从液态冷却至室温而不形成晶体结构。然后通过快速冷却,可以将“液态”原子结构捕获到非结晶固体中,产生一类新的金属合金,这就形成了非晶金属或液态金属。

“液态金属具备了其他金属或者合金材料所没有的优势。质量更轻,强度却更硬,是不锈钢的3倍,铝、镁合金的10倍以上。”清华大学医学院教授、中科院理化实验所研究员刘静告诉记者。同时还具有高弹性,能一次成型,免去加工的繁琐程序。

▲液态金属质量更轻,强度却更硬,是不锈钢的3倍,铝、镁合金的10倍以上(图片来自网络)

此外液态金属还具有流动性、导电性强、热导率高等特点。可广泛应用于工业制造、航空航天、军工国防、生物医疗、教育与文化创意等领域。

在电子领域,液态金属可以作为墨水用于3D打印直接生成电子电路;在工业制造领域,由于没有磁力干扰,液态金属则被用来制作核磁共振设备的组件,电磁开关的外壳,或是高射频功率领域。

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即拆即用与固液转换

据了解,刘静和液态金属“结缘”已经有二十年了:早在2001年时,正在寻找一种能让计算机芯片快速散热材料的刘静发现:液态金属具有很好的导热性,作为冷却液又能将集成电路中的热量快速导出,就此他开始了在液态金属领域的研究。

“液态金属外骨骼是产学研合作的产物,比起实验室结果,我觉得更应该关注它的产业化进展。”刘静教授说。

二十年来,刘静发表了100多篇论文,在液态金属领域取得了诸多震撼性的科研成果,并曾代表中国科学家,获得了国际传热界的最高奖项——威廉博格奖。

▲清华大学医学院教授刘静(图片来自网络)

液态金属外骨骼并不能算是“全新科研成果”,因为早在2013年,自己和团队就在研究当中发现,液态金属与水的复合体,可以在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象。不久以后,全新的复合材料GB-eGaln诞生了。

GB-eGaln由空心玻璃微珠与液态金属构成,粘附力很好,可以成型为薄片。延展性也不错,可以轻松塑形为各种平面片状结构器件,很容易的折叠或卷起,独立的两片甚至可以通过按压,形成一个整体。

“最为重要的是,虽然GB-eGaln又轻又薄,但得益于液体金属的固液相变性质,GB-eGaln可以通过温度调控,在完全柔软的状态和坚硬的金属物体之间自由切换。”刘静说,正是基于材料特性,团队和医疗公司一起,把技术运用到了生物医学领域,液态金属“外骨骼”就此诞生。

从2018年开始,这款产品就开始在云南多地为患者试用,收获了医生患者的一致好评,随着使用人数的增加,成本也在不断降低,如今只有几百元人民币。

今年,液态金属外骨骼产品开始大规模量产,未来有望进入一二线城市,为更多患者带来福音。

▲云南省曲靖市第一人民医院关节与运动医学科施璟医生在查看使用液态金属“外骨骼”固定的X光片(图片来自网络)

刘静介绍说,液态金属“外骨骼”可以用于肩关节、肘关节、指骨、掌骨、手臂等许多部位。它克服了石膏笨重、易折断、不透气的劣势,贴合患者、即拆即用,非常方便。在使用过程当中,只需要控制液态金属材料的温度,就可以实现金属在液态和固态间转换,现场实现和患处的塑形。

不仅如此,液态金属“外骨骼”不同于石膏仅能一次性使用,其可以反复使用,能够为患者节约医疗费用,并且更加环保。

除此之外,刘静在采访当中还透露,他和团队正在研发一种“将液体金属注射在骨骼当中,用于人体受损骨骼包括牙齿等的快速修复”的技术。假如这种技术研发成功,那电影《金刚狼》中的场景,将真实的出现在公众眼前。

▲ 影视作品当中的金刚狼(图片来自网络)

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未来应用前景广泛

“旧闻新报”的液态金属外骨骼,为何引起社会和媒体的广泛关注?刘静认为,这与液态金属外骨骼产品即将大规模量产有关,这也是液态金属产品,在医疗健康领域首次面向公众大规模应用。

当前,新一轮科技革命和产业变革正蓄势待发,尤其是在中国制造转型升级的背景下,这让作为新材料的液态金属,研发和应用都有了全新的意义,甚至成为引领产业转型升级的重要切入点。

从目前实验室的研究成果来看,已经证实液态金属具有很多优秀的技能,在轴承、铰链、SIM 卡托/SIM 卡针、夹具、高尔夫杆头、钟表结构件等领域有了一些尝试性的应用。

▲液态金属卡针(图片来自网络)

“例如一些高端手表品牌,表内的数字和刻度由液态金属制成,能够抵抗磨损与腐蚀。苹果手机的卡针使用的是液态金属,OPPO、Vivo、华为等品牌的部分产品,也使用液态金属材质的SIM卡托槽、转轴,一些液态金属散热器产品也已经问世。”刘静说。

但刘静同时表示,由于成本太高、使用范围太狭窄,液态金属的小范围尝试,大多集中在高端制造和消费电子领域,对于消费者而言,感观也不明显,目前没能形成大规模应用。

但在医疗健康领域,液态金属外骨骼是一个全新的突破,与手表指针、手机卡槽相比,不仅实用性更强,产业化前景也更好,并且进入到了大规模量产阶段,是真正意义上“面向公众”的应用。

实际上,以液态金属外骨骼量产为契机,整个液态金属产业,蕴含着无限发展潜力和市场空间。

在消费电子领域,数据显示,近年来全球PC、平板和手机设备总出货量常年稳定在20亿台以上,而液态金属材料已被证实,可以广泛运用于电子设备制造当中。假设20%的PC、平板和手机设备用到液态金属,平均成本2美元(约合14元人民币),每年的市场容量也高达10亿美元(约合70亿元人民币)。

▲液态金属散热器产品(图片来自网络)

消费电子以外,随着液态金属在大块成型、提高非结晶度比率等技术上的不断提升,理论上任何对强度、硬度、耐磨耐辐射、绝缘、高弹性有要求的复杂结构件,都可以利用液态金属替代,一旦解决了成本问题,液态金属在军工、工业、机器人、医疗、环保、航空等领域,都有非常良好的发展前景。

“最为重要的是,作为一种全新材料,中国科研力量在液态金属方面,取得了一系列原创性的突破,在世界上是比较先进的。”刘静表示,国外的很多机构和院校也都在研究液态金属,但仅仅是作为研究课题,而中国已经进行了产学研一体化结合,有了市场应用,很多欧美研究者也要到我们国家来取经,实现了真正意义上的“中国智造”。

回到文章开头的电影终结者画面,尽管液态金属应用,真正达到T-1000机器人那种随意变换、运作自如的状态,还需要很长一段时间。但不可否认的是,作为重要的新材料,液态金属的研发和应用,是人类对物质认识和应用向更深层次进军的重要标识,液态金属的时代,正在向我们走来。

出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端

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来源: 科普中央厨房

液态金属“外骨骼”开始大规模量产,科幻电影成真了吗?

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