液态金属:新的“生命”形态?

液态金属变身“软体动物”

2015年春，Advanced Materials（《先进材料》）上，发表了一项由清华大学医学院生物医学工程系刘静教授团队联合中科院理化技术研究所得出的研究成果。这一团队首次发现了电场控制下液态金属与水的复合体，可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象。

在放有氢氧化钠（火碱）溶液的凹槽里，两只约有指粗细，长度却只有不到一半的液态金属“蚯蚓”静静地“沉睡”着。但只要“喂”给它们一小块铝箔，这两只银白色的“蚯蚓”就会在凹槽中游走，直到迎头相撞，便旋即合为一体，像编组站里的火车，挂接上新的车厢之后继续前行……

这种呈现出“生命”特性的金属，叫作“镓基液态合金”。具体来说，它是由镓和铟这两种低熔点稀有金属组成的合金。浸在氢氧化钠溶液里的液态镓铟合金，能够“吃进”铝箔，并像“吃饱了饭的动物”一样开始移动。正因如此，在《先进材料》上发表的论文中，它们被称为“仿生型自驱动液态金属软体动物”。

刘静教授团队的此项工作成果，源于长期以来在液态金属领域不断研究推进中的偶然发现。他们的研究表明，让镓基液态合金变身成为“软体动物”的本质原因，是合金“吃”铝的过程，剥掉了一部分铝表面的氧化铝层，使其露出了“新茬”。于是，浸在氢氧化钠溶液里的镓铟合金和铝，就在镓铟合金里产生了内生电场。或者说，这个液态合金和铝组成的系统，发生着类似电池内部的电化学反应。

这种反应的效果，就是改变了液态金属的表面张力，使金属珠“两侧”能够像公园脚踏船的桨叶那样“拨水”，成为推动金属珠前进的主要动力。与此同时，电化学反应产生的氢气，也形成一个个微小的气泡，成为金属珠移动的辅助动力。

这个令人着迷的过程，并非司空见惯的化学反应。化学反应的结果，通常是让参与反应的物质消失，并得到其他的物质。以中学化学中最常见的制取氧气和氢气实验为例，加热高锰酸钾（KMnO4），会生成锰酸钾（K2MnO4）、二氧化锰（MnO2）并释放出氧气，高锰酸钾则很快就会消减。制取氢气也是如此，将铁放进稀硫酸里，会得到硫酸亚铁（FeSO4），并释放出氢气；如果将锌放进稀硫酸里，则会得到硫酸锌（ZnSO4）并释放出氢气，而原本的金属和硫酸都会消减。

但“吃进”铝箔之后的镓基液态合金，则更像进餐后的动物。这些被置于电解液（氢氧化钠溶液）中的合金，只需要一点点铝箔，就可以移动很长时间，而且自身基本不会发生什么变化。

正因为镓基液态合金的独特性质，这种“软体动物”引起了世界各国科技界的广泛关注。虽然“动物”这个词仅仅是一种比喻，但也不禁让人思考：这些液态金属的人造物，可以称为“生命”吗？

如果扩展“生命”的定义，或者说让生命不再局限于碳基，镓基液态合金的确存在着被定义为“镓基生命”的可能性。它能够在氢氧化钠生活环境中“吃饭”和自主运动的特点，以及凭借液态“身躯”善于“变形”通过狭窄空间的优势，都让它具备了近似于动物的“特质”。甚至，驱动它运动的电化学反应，也可以理解为一种独特的“新陈代谢”。“自组装”的特性，有可能让它形成更为复杂的个体，甚至进化出基本的智能，这就像一个个细胞构成了人体的组织、器官，最终组成了可以思考和行动的人体一样。

或许正因如此，《先进材料》封面反映这项科研成果的科学画，竟然与反映5亿多年前寒武纪生命大爆发的古生物复原图有些相似。

生命是否还有别的形式？

镓基液态合金及其独特性质无疑超越了一般人的认知，所以刘静教授在向公众介绍的时候，常会引用一些经典的科幻作品和其中的形象，比如《终结者》里能够如流水般渗透，并且在中枪之后进行自我修复的液态金属机器人。他也着迷于其他一些科幻小说中对于非碳基生命的描写。这说明，无论是科幻作家的畅想，还是科技界严肃的研究，都在不断倾向于接受一种观念：生命完全有可能以我们意想不到的形式存在。

对非碳基生命的假想，在科技界早已有之。比如说，早在1891年，欧洲天文学界就已经在探讨以硅为基础的生命的可能性。这是因为，硅元素在宇宙中分布广泛。而且，在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的许多基本性质都相似。举例而言，正如同碳能和四个氢原子化合形成甲烷（CH4），硅也能同样地形成硅烷（SiH4）；硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷（HSiCl3）则是三氯甲烷（CHCl3）的类似物，等等。不仅如此，硅化合物的热稳定性，会使以其为基础的生命可以在高温下生存。

而在科幻作品中，硅基生命形象也不胜枚举。20世纪初的美国科幻作家，不幸英年早逝的斯坦利・格鲁曼・威尔伯姆，在其代表作《火星奥德赛》中，描述了一种寿命长达100万年的硅基生命。它每10分钟“呼吸”一次，排出一块二氧化硅，就像人类呼吸会吐出二氧化碳一样。但由于二氧化硅是固体，这种硅基生命会渐渐地被自己排出的废物埋起来，而后才会破开身边的二氧化硅，挪个地方“重新开始”。在中国，著名科幻作家王晋康在《水星播种》和《沙漠蚯蚓》等作品中，对硅基生命的描写也颇为传神。

除了“硅基生命”，出现在科幻作品中的非碳基生命还有很多。以氨取代水形成的“氨基生命”，也为科学界所关注。这是因为，（液态）氨的一些性质与水类似，比如甲醇（CH3OH）和甲胺（CH3NH2）这两种化合物是类似物。因此，在某些特定条件下，有可能以氨为基础，建立起一系列复杂化合物的对应体系，比如蛋白质和核酸的对应物质，最终发展出氨基生命。

当人们从有机物的相似物角度思考非碳基生命可能形式的时候，材料科学的进展，让一些化学家发现了某些金属化合物或合金具有的类似生命的性质。除了镓基液态合金，英国格拉斯哥大学的化学家李・克罗宁等人，就曾以钨和其他金属原子、氧、磷结合形成的多金属氧酸盐，制造出了类似于细胞的气泡，并赋予它们一些类似生命的特征。这些无机材料表现出来的独特性质，蕴含着耐人寻味的奥秘。

在很多科幻小说和影视、游戏作品中，都有“赛博格人”（人机结合体、半机器人）角色出现，而这一群体所依赖的技术，也令刘静教授关注和着迷。比如，在电影《星球大战》系列里，绝地武士阿纳金・天行者和卢克・天行者都有过被敌人斩断手臂的经历，而后安装了能够与身体接驳的精密机械手臂继续作战。

而刘静教授等人研究的镓基液态合金，不仅有着酷似动物的活动模式，还具有其他一些有趣的性质，比如独特的医学价值。动物实验表明，通过外科手术，人们可以用液态金属材料接驳被切断的神经，从而将断开的神经信号重新连接。这是因为金属是导体，而动物的神经活动，本质上传递的是电信号。

在日常生活和军事行动中，因为受伤导致身体某一部分神经被切断的情况并不罕见。对于这样的病例，液态金属提供了一种修复神经的可能性，使伤员不至于因为神经受损而瘫痪。不仅如此，液态金属还有可能成为“人机接驳”的“桥梁”，或者说衔接传统意义上的生命体与非生命体。

而在现实生活中，一些实现人机接驳的手段，也会为医学界所用，以疗救重症伤患。比如，以提取脑电波来推断残疾人意图，并据此进行动作的假肢已经出现；如果能实现假肢与人体神经的直接、高效而稳定的连接，那么假肢就会真正成为人体的一部分。

如今，随着国内外科学界对镓基液态合金研究的深入，液态金属有可能为生命“升级”，让现实生活中出现越来越多的“赛博格人”。

作为一大类新兴的功能材料，液态金属为若干科学与技术探索提供了丰富的研究空间。虽然目前“液态金属动物”和“终结者”仍有很大距离，但刘静教授团队会继续在这条道路上不断探索下去，新的发现和成果指日可待。