液态金属范文
时间：2023-03-20 00:51:15
液态金属范文第1篇
我们知道，自然界中有些金属，例如汞、镓等，在常温下呈液体状态，本身就是液态的。但我们这里要说的液态金属，指的是将玻璃的制备工艺引入到金属或合金当中，使之以较高的冷却速率固化而成的金属，又称金属玻璃，也称非晶材料。
这种新型材料拥有独特的非结晶分子结构，与传统金属的结晶结构截然不同。除了低熔点的特色外，最大的优势在于熔融后的塑形能力，由于其凝固过程的物理特性与普通金属完全不同，使它的铸造过程更加类似于塑料而不是金属，可以采用类似吹塑成型的方式，极大地提高了精度，而表面触摸起来就像液体一样顺滑。
目前已经应用液体金属技术的产品包括冬奥会冠军使用的HEAD滑雪板、OMEGA手表等。如果你是iPhone4S的用户，那么你肯定见过这种液体金属， 因为iPhone4S的SIM卡槽捅针就是用这种材质制作的。如果有兴趣的话，你可以试试将它放在地上打磨，你会发现，它的表面不会出现任何划痕。磁铁无法将它吸住，要想将它弄变形更是难上加难。如果用这种材质制造手机外壳，将会使手机更加轻薄，虽然其坚硬程度和不锈钢一样，可摸起来却不像金属那样冰冷，还具有很强的耐用性和抗腐蚀性，简直就是金属和塑料材质的完美结合。
前不久，中国科学院理化技术研究所研制出世界首台全自动液态金属个人电子电路打印机――“梦之墨”。只要在电脑上设计好电路图，点击打印功能键，就可以把电路图打印在透明胶片上。
这款打印机十几分钟就可以在用户终端完成全部的电路制造过程，省去了烦琐的流程，在技术理念上改变了传统模式，打破了个人电子制造的技术瓶颈，让低成本地快速制造电子电路成为现实，相当于将电子工厂搬进了家中。这种个性化电子制造模式将对传统电子工程学带来观念性变革，相关技术极具普适性和基础性，未来将普及到家庭、办公室、学校、工厂乃至工业设计、艺术文化等应用领域。
“梦之墨”的神奇功能离不开它的“墨水”――液态金属。对于电子电路制造，导电性最为重要。通过研究对比，液态金属墨水的导电率约超出常规纳米电子油墨两个数量级，且具有成本低、打印出来的电路不易断开的特点，能满足大多数印刷电路板的要求。
液态金属范文第2篇
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”。
液态金属范文第3篇
百余年过去了，这个宝贵的“大自然对我们的馈赠”仍然游离在大众的视野之外。2015年3月，当清华大学医学院教授、中科院理化技术研究所双聘研究员刘静带领的科研团队在Advanced Materials杂志上发表了他们关于镓铟液态金属自驱动机器的论文而在国内外引起巨大反响时，很多行业外的人仍然表示“难以置信”，因为在他们的印象里，液态金属似乎只有水银一种――这没什么稀奇的。
横空出世的“终结者”：偶然与必然
置于电解液中的镓基液态合金在“吞食”了一个小铝片之后发生了“强烈”的反应，不靠任何外界驱动力，以金属球的模式进行了长达1个多小时的“长跑”。在网上传出的那段视频中，这个小家伙既能在自由空间里到处溜达，又能在不同的管道槽中变形前进，宛如“活物”
那天，清华大学生物医学工程系二年级博士生张洁与往常一样，按照导师刘静的指导计划，在实验室里进行“液态金属连接神经信号传导”研究。这个实验的主要内容是将液态的镓铟锡合金涂抹在牛蛙断了的坐骨神经之间，测试其遭受刺激时所产生的电信号传递情况。
当她在不经意间用电极触碰到牛蛙断裂神经之间的液态金属上时，原本像是一条线的液态金属忽然受惊似的收缩成了一个球。电流对于液态金属居然有这样的刺激作用！这在以前是不为人所知的。
这个现象启发了他们对于液态金属在电场作用下的运动机制进行了深入的研究。在刘静教授的指导下，实验室获得了一系列重要发现，相应论文以封面文章形式发表于Advanced Materials，并产生重要反响；此后，实验室再接再厉，又启动了液态金属可逆变形效应研究。半年后研究小组再度将系列新发现整理成文，投递给知名学术期刊《美国科学院院刊》。然而，令人遗憾的是，由于评审时间过长，这一成果被美国北卡莱罗纳大学的一个科研团队抢先发表。
“科学研究的结果是‘物以稀为贵’，因为同一个规律，你只能发现一次”。所以按照惯例，谁先发现，这个知识产权就归谁所有。
但是，该是你的就一定是你的，跑不了。
不久之后，幸运之神再次光顾了这个实验室。在随后的另外一次实验中，张洁没有按照常规使用玻璃棒，而是就地取材，随手用一张铝箔卷成小棍去剔除液态金属表面的氧化物。就在这刹那间，她发现，被铝“点化”过后的液态金属微小液滴上出现了令人匪夷所思的自旋转现象。
原来，镓铟液态合金、金属铝及电解液间产生的原电池反应会形成内生电场，从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，出现“马兰哥尼”对流现象（表面张力在液体界面引起一个表面张力梯度，使液体发生流动），继而对易于变形的液态金属造成推力。这种自发性的运动，使得液态金属球像一个小马达一样“亢奋”，即使人为设障阻挡其前进，仍然可以看到其内部有令人惊讶的“大回环”运动。
能“吃”食物（燃料），自主运动，还可以变形，具备一定代谢功能（化学反应）――刘静他们在论文中将这个奇特的小东西命名为“仿生型液态金属软体动物”。
之后，短时间内就在世界范围内引起了众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的高度重视。有的媒体不无夸张地将这个科学发现与电影《终结者》扯上了关系，令相当多“不明真相”的读者以为电影里那位打不死的机器人“终结者”原型即将出现了刘静和他的团队就这样不经意间走入了大众的视野。
尽管这个令世人瞩目的机器“动物”的诞生具有很大的偶然性，但是刘静说，科学发现的“偶然”是建立在大量基础研究的积累上的，看似偶然，实则必然。就像两个原本不相干的研究，如同平行线一样各自进行，但是越走越近，终于在某一个“偶然”的十字路口相遇，绽放出耀眼的火花。
而为了追寻这个偶然，他从十余年前就开始“动身”了。
从“燃气轮机”出发的科学“大拿”
1984年，刘静从云南小城宣威出发，以全县第一的成绩考入云南省重点高中曲靖一中，三年后考入清华大学。“发挥得不是太理想”，对自己要求“甚严”的刘静说起当年的成绩很有些遗憾，“尽管这样，还是考上了清华”，他又不免有些小小的骄傲。
面对记者时，刘静语速极快且时有跳跃，显示着他时刻高速运转着的大脑。但是他并不认为自己是个“聪明人”，他说，世界上比他聪明的人太多太多了，他只是比较勤奋。
相对于当时很热门的计算机、电子等专业，热能工程系的“燃气轮机”显然是个不被外人所知的冷门专业。但得益于系内一批杰出教师的教导和指点，在清华燃气轮机这个既重实践又强调理论的工科专业中，刘静打下极为扎实的数理基础。本科时期的刘静还同时选修了现代应用物理专业作为第二学位，两个专业的课业都很重，考试时有时一天要考“三门”。1992年，本科毕业的刘静成为当时清华大学第二届直博生，在导师建议下专攻生物传热学。
二十多年后提起当时的选择，他不禁要感慨命运对他的垂青。拿下燃气轮机专业工学士和现代应用物理专业理学士两个学位后直读博士，毕业后留校任教，之后在美国普度大学读博士后，在麻省理工学院做高级访问学者，1998年入选中科院“百人计划”，1999年6月回国创建理化技术研究所低温生物与医学实验室，2003年获得国家杰出青年科学基金资助，2006年11月起被聘为清华大学医学院生物医学工程系双聘教授，2014年成为获得国际传热界最高奖项――威廉・伯格奖的首位中国科学家，其大会主题报告被评定为对热科学及工程学具有深远影响，被颁奖委员会誉为“主题报告中的主题报告”
这一切成绩的取得，大抵都离不开“勤奋”二字。回忆当初，刘静的科研道路几乎都是从零开始，白手起家、埋头苦干。从燃气轮机转向生物传热学方向时，他从零开始，用了不到三年半时间便完成了博士论文。留校之初，所开设的生物传热学课程没有现成教材，他决定自己编写。但是科研条件简陋，经费几乎为零，曾经一度在半年内他没有电脑可用。在这种状况下编写出来的《生物传热学》，此后却成为该领域的基础文献。
从国外回到中科院理化所时面临的同样是全新领域的低温工程学，一切仍然是从零开始。首先启动的肿瘤微创高低温复式治疗设备“康博刀”研发工作，从原理到样机，再到临床实验投入市场，时长跨越十余年。曾经一度他们的账面上只有5万块钱，“实验室几乎难以为继”。
刘静将目光转回他传热学的老本行。这一次，“液态金属”这个几乎被全世界忽略的领域为他带来了灵感：“如果用它来为芯片降温冷却会怎样？”
在研究之初，刘静很难找到相关的文献资料，一切又是从头开始。于是，围绕高端芯片严重受制于“热障”的世界性难题，刘静大胆设想、小心求证，突破性地提出了有重大原始创新性的室温液态金属热管理方法――利用液态金属极佳的散热性能开发液态金属芯片散热技术。相比传统的风扇和水冷模式，液态金属无需额外提供动力，冷却效率极高。且体积小巧，甚至在一些技术方案中仅靠固、液之间的物相转化就能达到高效吸热、放热的目的。
“液态金属”为刘静打开了创新的大门。在带领团队经过10多年系统深入的探索之后，一项又一项理论突破、基础发现和技术发明接连不断地在他的实验室诞生：液态金属芯片冷却技术、世界首台液态金属个人电子电路打印机、首台室温金属3D打印机、首台可在各种表面印制电路的普适性液态金属喷墨打印机、液态金属神经连接与修复技术、液态金属血管造影术他和“小伙伴”们的研究，早已登临国际领先的前沿。
“液态金属”与万众创新
相对于刘静实验室里丰富的“液态金属”研究成果，刚刚被大众熟知的小小“终结者”只是其中的冰山一角。刘静说，“液态金属”的科研空间巨大。
比如，基于液态金属制成的人体外骨骼柔性关节。在“没有任务”的时候，金属吸热熔化并处于液态，柔性程度高，人体穿戴舒适感好、行动自如。一旦需要执行高强度任务，关节内的液态金属会在半导体制冷器作用下快速固化变硬，机械关节切换至刚性固体状态，对人体形成有效支撑，可以承受巨大的拉伸或压力，甚至阻挡子弹等外界潜在损伤――好比小罗伯特・唐尼在科幻影片《钢铁侠》中所穿着的金属盔甲一般。
2014年10月，由刘静带领的清华大学医学院、中科院理化技术研究所联合研究小组在人体受损骨骼的修复上取得了新的突破。他们提出了低熔点液态合金骨水泥技术，创造性地将“液态金属”引入到骨修复领域。修复的过程就好似美国科幻影片《金刚狼》那样，用注射器将新型的液态合金骨水泥“灌注”入需要修复的人体部位并在其中固化，帮助人体骨骼修复。合金骨水泥固液态转换灵活，骨骼痊愈后通过加热就可以将其转变为液态金属吸出，安全方便。
“终结者”、“钢铁侠”、“金刚狼”，好莱坞科幻大片里的主要硬派角色，都相继成为刘静“手下”的技术形象代言人。
而刘静实验室里具有实际意义的创新远不止于此。
在参观其实验室时，刘教授随手拽出一张透明的PVC薄膜递了过来，上面是打印出来的金属电路，银色的线条闪耀着璀璨的光芒。
这是刘静及其团队基于数年前建立的一种全新原理的室温液态金属打印方法上取得的成果，他将这种液态金属印刷电子技术称为DREAM Ink，即梦之墨。根据这种方法制造的世界首台全自动液态金属电子电路打印机，以及可在各种表面制造电路的液态金属喷墨打印机，打破了个人电子制造的技术瓶颈和壁垒，使得在极低成本下快速、随意地制作电子电路成为现实。
而让刘静喜爱的还有一台液态金属3D打印机，可以在室温下制造金属构件。“这台机器也是世界首台，全部是我们自己研发制造，”刘静指着随意摆放在试验台上的一台不起眼的四方“疙瘩”说，“现在我们是从网络上下载软件，将来这种制造功能器件的打印机普及了，人们就可以直接下载硬件。”
这也许意味着，将来的某一天，类似于手机这样的数码产品无须再经“富士康”这类劳动力密集企业组装，用户按下打印机的按钮就可以从相关厂商的网站上直接“下载”手机使用。
“总理提出，要在中国形成‘万众创新’、‘人人创新’的新形态。而我们开发出的这种技术，就是希望能为‘万众创新’提供一些基础工具。”刘静很有把握地说，“个性化的创新是国家的财富，而液态金属3D打印技术将为这种创新提供支撑。”
永远在路上
刘静很忙。见到记者时，他还为没来得及整理的办公室里的凌乱有些不安，一个劲儿地说着抱歉。在他的办公室里有一台刀片散热机柜，占据了办公桌后的大片地盘，使得小小的办公室更加局促。旁边的玻璃柜内则陈列着大大小小的液态金属散热器，那是他的杰作，相对于过去的散热装备来说体积更小、功能更强。“实验室紧巴巴的找不到地方放，我的办公室就权作仓库了”。而其他的发明产品则随意地摆放在玻璃柜里，玻璃柜的下面几层塞满了各式的奖牌和证书，多数都是“排名第一”的获奖。而荣誉对于一个勤奋的科学家来讲，只是一堆努力之余的“副产品”罢了。
像清华大学里多数忙碌的学者一样，除了披星戴月地搞科研，他还需要讲课和指导学生，忙忙碌碌无法停歇。“比如这个，就是在路上准备的”，他指着桌上一张叠起来的纸欲言又止，有些不好意思。那上面是他在学生名单的空隙处手写的对不同课题内容的构思，都是利用零碎时间思索，记录下来便于因材施教。
而同样在路上的还有对于新知的学习。他经常在身边带着不同的书籍，一有时间就读，“学习永远在路上”，他笑着说。永远准备着“求学”，也经常忙到只有在路上才有时间“学”。
还是那句话，“聪明人太多了”，而他则相信1万小时定律――1万小时的锤炼是任何人从平凡变成超凡的必要条件。
液态金属范文第4篇
关键词：套管；液态金属钠；水力特性；数值模拟
一、绪论
相对轻水堆，快堆堆芯功率密度高出数倍，因此快堆对其冷却剂的传热性能有着非常严格的要求。就热工水力方面而言，要求冷却剂有很大的传热系数和较小的粘性损耗。快中子增殖堆要求选用传热性能好而中于慢化能力小的冷却剂。金属钠的熔点低，而沸点却很高，导热性能比水高好多倍，又不易慢化中子，是十分理想的快堆冷却剂。
液态金属钠具有较高的热导率，而粘性较小。液态金属钠的普朗特数比大多数流体要低几个数量级，因而其流动传热过程与大多数流体有很大不同。在非等温流动情况下，对于Pr1的液态金属钠来说，其热导率很高，在加热或冷却情况下，边界层内的流体温度与主流温度相差很少，在计算摩檫系数时，一般按等温工况考虑[1]。
文献[2-7]的有关结论是基本一致的，窄环隙内的流动阻力特性不同于普通流道，不能用计算普通圆管阻力系数的方法来计算窄环隙内的阻力系数，在平均阻力特性方面，层流区的阻力系数的总的变化趋势是随着流道间隙的减小而下降，与理论计算式预测的变化趋势相反，同时在紊流区，阻力特性与层流区相似的变化规律，但当雷诺数大于一定值时，不同尺寸的流道的摩擦阻力系数趋于一致，与理论计算值基本一致。
本设计选取套管内液态金属钠流动过程作为研究对象，利用CFD软件探索液态金属钠在钠冷快堆中套管内流动的水力特性，主要是阻力场的特点，并讨论分析主要影响因素。
二、水力特性数值研究
1、建立模型
套管为轴对称的三维几何体，在用GAMBIT进行模型建立的时候可以简化为二维图形。首先确定一组套管，入口温度为573.15K，雷诺数Re为104，内径D1=10mm，外径D2=12mm，当量直径D= D2- D1=2mm，考虑到入口段效应，先取长度为60D=120mm进行建模，导入FLUENT后进行验证。接下来进行网格剖分，设定区域类型和边界类型，该模型有4个边界：inlet，outlet，wall-in，wall-out，边界类型分别为：velocity-inlet，outflow，wall，wall。
2、导入FLUENT进行计算
关系式2-1到2-4分别为导热系数，定压比热容，动力粘度，密度的物性参数随温度变化的关系式。
利用以上的关系式可得出573.15K的液态钠，其物性参数为密度为877.89kg/m3、比热容为1266.15J/（kgK）、导热系数为76.603W/（mK）、动力粘度为0.0003439kg/（ms）。
假定流体水平运动，不考虑重力的影响，运行环境不设置参考压力大小，采用默认的标准大气压101325Pa。液态金属钠在套管内流动是单相且不可压缩，分离式求解器主要用于不可压流动和微可压流动，在分离式求解器中，只采用隐式方案进行控制方程的线性化，求解过程在时间上是稳态，所以求解器选择二维双精度、隐式压力基、稳态、轴对称求解器。
液态金属钠是粘性流体，Realizable K-？湍流模型能够有效的用于不同类型的流动模拟，包括管道内流动，边界层流动等，而标准的K-？湍流模型在用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时，会产生一定的失真。Realizable K-？湍流模型和标准的K-？湍流模型均是针对充分发展的湍流才是有效的，也就是这些模型是高Re数的湍流模型，但是在近壁面区的流动，Re数较低，湍流发展并不充分，湍流应力几乎不起作用，湍流的脉动影响没有分子粘性的影响大，这样必须采用特殊的处理方式：一是采用低Re数K-？湍流模型，二是采用壁面函数法，所以计算模型选择能量方程，湍流模型选择Realizable K-？湍流模型，用加强壁面函数法，控制y+小于5，对于第一层网格高度的设定，采用了无量纲参数y+作参考，流体不考虑粘性耗散和流动换热。
因为流体和管壁都是等温恒定，在定义材料时，假定流体温度为300，利用液态金属钠的物性参数的关系式，可自定义材料温度为573.15K的液态金属钠。选择壁面材料温度为573.15K的不锈钢，假设为光滑管道，不考虑偏心度。
设置边界条件：（1）速度进口：以雷诺数确定入口速度，湍流模型参数为给定湍流强度和水力直径，流体入口温度为573.15K（2）未知出口（3）壁面边界：给定第一类边界条件，壁面材料不锈钢，温度为573.15K。
设置求解控制参数：离散格式所有选择二阶迎风格式，压力速度耦合方式选择SIMPLE。残差设置全部收敛到10-6。
首先取流体温度T为573.15K，Re为4104，即入口速度为7.835m/s，导入FLUENT进行网格验证并根据要求进行适当修改。
从图2-1可以看出流体在L为120mm时达到充分发展，同时看出有入口效应的影响。从图2-2可以看出在除了入口段，其余的流动区域y+值小于5，说明边界层设置和网格剖分满足要求。
图2-1流动区域中心线速度图2-2y+值
选择网格数量为302000，202000，252000，352000，353000， 301500，301000七组网格，对中心线速度进行比较，可以看出网格质量的好坏，得出网格无关解。从下图2-3（a）、2-3（b）和2-3（c）可最终确定出网格无关解，得出网格301500比较合适。
研究不同雷诺数即不同入口速度的套管内液态金属钠的水力特性。
选择22组雷诺数：4104，2104，104，8103，6103，4103，3103，2103， 1.5103，103，800，600，400，200，100，80，60，40，20，10，5。因为在数值模拟之前不清楚流态转折点，故用交叉法进行数值模拟，即22组雷诺数分别用湍流模型和层流模型进行模拟。为了保证数值模拟计算结果的准确性，选择了四组网格，将22组雷诺数分为四组，使残差全部收敛到10-6，选择湍流模型时y+值均控制在小于5，同时确定网格无关解，选择同样的液态金属钠的物性参数设置。
研究不同间隙宽度的套管内液态金属钠的水力特性。
选择h1=0.5mm（D2=11mm，D1=10mm），h3=1.5mm（D2=13mm，D1=10mm）与h2=1mm（D2=12mm，D1=10mm）进行比较。
利用GAMBIT建模，进行网格剖分，同样导入FLUENT，取流体温度T为573.15K，Re为4104，即入口速度分别为15.67m/s和5.223m/s，利用流动区域的中心线速度曲线确定模型长度，利用y+值确定边界层网格剖分。
同样对中心线速度进行比较，确定网格无关解，可得出h=0.5mm和h=1.5mm时网格402000，301000比较合适。
同样用交叉法进行数值模拟，为了保证数值模拟计算结果的准确性，选择四组网格，选择同样的液态金属钠的物性参数设置。
三、数据处理和结果分析
1、不同雷诺数的数据处理
在流体充分发展的区域，取两个截面，利用面积加权平均法得出两个截面的静压，利用达西公式（3-1）求出阻力系数f：
（3-1）
式中为两个截面的静压差，f为阻力系数，为两个截面之间的长度，d为环管的当量直径，为流体的密度，为流体的速度。
在环管间隙h2=1mm时，将22组雷诺数Re利用层流模型和湍流模型的交叉法得到的沿程阻力系数f与雷诺数Re的关系用双对数坐标绘制出图3-1（a），可以得出，两条曲线的交叉点在雷诺数Re为700左右，由层流向湍流转变没有明显的过渡区。
为了更好的验证结论，绘制常数C=Ref与雷诺数Re的关系用双对数坐标绘制出图3-1（b）可以得出两种模型模拟的交叉点大约在雷诺数Re为700左右，即得出结论临界雷诺数Re为700左右。
为了得出流动的规律，将层流区域和湍流区域的沿程阻力系数f与雷诺数Re的关系拟合成曲线函数。流体在环管中层流流动时，f与Re的关系式为：
（3-2）
β为环形缝通道内外径之比：β=R1/R2。
图3-2（a）是通过Matlab拟合的曲线函数图，可以得出在层流区域f与Re的关系式3-3为：
（3-3）
图3-2（b）是通过Matlab拟合的曲线函数图，可以得出在湍流区域f与Re的关系式3-4为：
（3-4）
2、不同环管间隙的数据处理
在环管间隙h1=0.5mm时，利用层流模型和湍流模型的交叉法得到的沿程阻力系数f与雷诺数Re的关系用双对数坐标绘制出图3-3（a），从图中可以得出，两条曲线的交叉点在雷诺数Re为700左右，由层流向湍流转变没有明显的过渡区。
为了更好的验证结论，绘制常数C=Ref与雷诺数Re的关系用双对数坐标绘制出图3-3（b）。从图中可以得出两种模型模拟的交叉点大约在雷诺数Re为700左右。即得出结论临界雷诺数Re为700左右。
通过Matlab拟合的曲线函数图，可以得出在层流区域f与Re的关系式3-5为：
（3-5）
通过Matlab拟合的曲线函数图，可以得出在湍流区域f与Re的关系式3-6为：
（3-6）
在环管间隙h3=1.5mm时，利用层流模型和湍流模型的交叉法得到的沿程阻力系数f与雷诺数Re的关系用双对数坐标绘制出图3-4（a），从图中可以得出，两条曲线的交叉点在雷诺数Re为700左右，由层流向湍流转变没有明显的过渡区。
为了更好的验证结论，绘制常数C=Ref与雷诺数Re的关系用双对数坐标绘制出图3-4（b），从图中可以得出两种模型模拟的交叉点大约在雷诺数Re为700左右，即得出结论临界雷诺数Re为700左右。
通过Matlab拟合的曲线函数图，可以得出在层流区域f与Re的关系式3-7为：
（3-7）
通过Matlab拟合的曲线函数图，可以得出在湍流区域f与Re的关系式3-8为：
（3-8）
h1=0.5mm（R2=5.5mm，R1=5mm），h2=1mm（R2=6mm，R1=5mm）与h3=1.5mm（R2=6.5mm，R1=5mm）的β1，β2，β3为5/5.5，5/6，5/6.5。根据式4-2可以得出常数C=fRe分别为C1=95.99，C2=95.95，C3=95.89。 同时曲线拟合出的常数C1=95.06，C2=94.91，C3=95.83，可以得到误差为0.97%，1.08%，0.06%。
从拟合的曲线函数关系式可以看出，在层流流动区域内数值模拟的结果与理论值几乎相同，在湍流流动区域内三种间隙的摩擦阻力系数关系式几乎相同，可以得出在环管间隙在0.5mm -1.5mm之间时，摩擦阻力系数的关系式可以按下面的计算式计算：
（3-9）
（3-10）
三种不同间隙的流态转化都没有明显的过渡区，表明在窄缝环管内流体流动已经不符合经典的流体力学理论。同时，流态转化提前，即临界雷诺数变小，原因可能是在湍流场中的漩涡受到抑制。
结论
本设计应用CFD软件对液态金属钠在套管中流动过程进行数值模拟，得出了以下结论：
1，环管间隙在0.5mm-1.5mm时，流动阻力特性不同于普通流道，不能用普通圆管的阻力系数的方法计算环管间隙内的阻力系数。
2，流体在环管间隙时，流态转折点明显提前，临界雷诺数大约在700左右，流态从层流到湍流没有明显的过渡区。
3，在层流区阻力系数的关系式与环管理论计算关系式符合较好，即常数C=fRe模拟计算值和理论值误差较小，摩擦阻力系数取决于环管间隙比。
4，不同的雷诺数即不同的入口速度对流动过程中摩擦阻力系数有较大的影响，环管间隙的大小对摩擦阻力系数没有影响。
不足之处：
液态金属钠的密度、定压比热容、粘度和导热系数均随温度变化，因此温度对液态金属钠的流动有重要的影响，在未来需对温度进行进一步的数值模拟计算。
参考文献
[1] 赵兆颐，朱瑞安.反应堆热工流体力学[M].清华大学出版社，1992年1月第1版.
[2] 李斌，何安定，王跃社等.窄缝环形管内流动与换热研究Ⅱ摩擦阻力特性[J].化工机械，2001，28（2）：67～70.
[3] NucEng Des. Ekberg N P，Ghiaasiaan S M.Gas-Liquid Two-PhaseFlow in Narrow Horizontal Annuli [J].1999，192：59～80.
[4] 彭常宏，吴埃敏，郭S等.窄缝环形通道内单相液体传热和压降的实验研究[J].核动力工程，2004，24（6）.
[5] 孙立成，阎昌琪，孙中宁.窄环隙内强迫流动阻力特性的实验研究[J].核动力工程，2003（04）.
[6] 孙中宁，孙立成，阎昌琪.窄缝环形流道单相摩擦阻力特性实验研究[J].核动力工程，2004（02）.
液态金属范文第5篇
新研究让液态金属机器能“跑”能“跳”
据中科院微信公众号，近期，中国科学院理化技术研究所联合清华大学研究组，首次报道了由液态金属驱动的金属丝振荡效应、金属颗粒触发型液态金属跳跃现象等，并研发出镀有磁层的自驱动液态金属机器乃至以液态金属为车轮的微型车辆，其中两项研究以封面文章形式发表。
此前，液态金属机器均以纯液态方式出现，固液组合机器效应的发现和技术突破，使得液态金属机器自此有了功能性内外骨骼，将提速柔性机器的研制进程。
记者注意到，这个科研团队的带头人是中科院理化所双聘研究员、清华大学教授刘静。
2013年6月，把液态金属做成打印“墨水”，刘静团队首次研发出纸上直接生成电子电路的技术。一年后，团队又研发出世界首台室温液态金属打印机，借助该设备，只需在计算机上设定程序，就可以“打”出个性化的电路系统。2015年初，刘静带领的团队造出世界首台液态金属机器的相关论文引起《科学》等权威网站的关注，被形容为制造出“终结者”。
刘静团队近期在发表于《先进科学》上的题为Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator（10.1002/advs.201600212，2016；封面文章）的论文中，报道了一种异常独特的液态金属固液组合机器的自激振荡效应：将处理过的铜丝触及含铝的液态金属时，铜丝会被液态金属迅速吞入，并随后在液态金属机体上做长时间往复穿梭运动，如同演奏音乐中的小提琴琴弦一般（如图1）。
此外，用不锈钢丝触碰液态金属，还可对铜丝的振荡行为加以调频调幅操控。造成上述现象的机制主要在于，铝与碱溶液反应引发液态金属与铜丝两端出现浸润力差异所致，这里，~丝、液态金属、电解液及氢气之间多相界面的动态耦合产生了节律性牵引力。这一突破性发现革新了传统的界面科学认识，也为柔性智能机器的研制打开了新思路，还可发展出流体、电学、机械、光学等系统的控制开关。
在发表于《应用物理学快报》上的题为Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles（108，223901，2016）的论文中，作者们发现了一类有趣的液态金属跳跃行为（如图2）：向放有金属液滴的溶液体系中加入固体金属颗粒（镍、铁等）后，原本静止的金属液滴开始跳动起来，并在容器底部留下一串饼状“脚印”。
研究揭示，金属颗粒与液态金属表面发生点接触时，交界面处电场强度显著增强，以至会在溶液内电解产氢，氢气泡在基底不断吸附长大形成“气体弹簧”，这就为液滴跳跃提供了推力。导致电场极化的因素之一是来自液态金属与固体金属颗粒之间的电势差即原电池效应（如图3）；另一原因则在于，固-液材料界面间微观形貌差异会导致电荷累积，继而引发尖端放电效应。
在《材料化学学报B》上的论文Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery（4，5349，2016，封面文章）中，研究小组通过电镀方法在液态金属表面镶嵌铁磁性镍层，由此实现了机器在外部磁场或电场作用下的灵活控制（如图4），并验证了其在药物递送方面的潜在价值。超越于无规则运动型液态金属机器的是，该磁性固液组合机器可实现运动起停、转向和加速等复杂行为。
进一步地，研究小组还发展出一种以柔性可变形“车轮”驱动的微型车辆，其由金属液滴及经3D打印的塑料本体组合而成。在电场作用下，液态金属“车轮”可发生旋转变形，继而驱动车辆行进、加速乃至实现更多复杂运动（如图5）。采用类似于四驱车的结构，研究小组证实其可在携带重物0.4g的情况下以25mm/s速度运动。这种固液组装型柔性机器的设计概念可衍生出更多复杂的可控机器结构。相应研究发表在RSC Advances（Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery，6，56482-56488，2016）上。
十多年来，由中科院理化所研究员刘静带领的团队围绕液态金属开展了大量原创性探索，在芯片冷却、先进制造、电子技术、生物医疗及柔性机器等领域取得全面突破。团队迄今已发现30类以上具有重要科学意义的液态金属基础现象或效应，研发出数十种实用技术，在包括北京、云南、广东等地在内的全国范围内推动产业化，先后促成了领先性液态金属产品生产线、研发中心及科技馆的建设落成，多种产品进入市场，提出的创建液态金属谷乃至发展液态金属全新工业体系的构想也正从理想变成现实，成果在海内外学术界和工业界产生重大影响。
近些年，刘静团队一直在致力于联合工业界推动液态金属产业化应用。“我们有幸在液态金属研究上走在世界前头，但在产业方面不能落后，我们要把握历史机遇，帮助我国建成世界级的液态金属谷。”刘静说。
离造出“变形机器人”还有很长路要走
随着科技的不断进步，液态金属已经走进了我们的视野，但拥有液态金属就意味着能制造出“变形机器人”吗？
澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科学家在今年8月也表示，他们使用一种液态金属合金制造出能自主操作的开关和泵。最新技术可用于制造能像活组织一样行动的电子设备，甚至类似“T-1000终结者”那样的3D液态金属机器人。尽管目前“T-1000”离完全实现还有不少技术障碍，但澳大利亚的科学家称他们已朝这一方向“迈出了坚实的一步”。
理想情况下，利用这项技术，人们无需对机器人进行如何的塑形，只需要按照一定程序来改变水的酸碱成分，金属就能自行达到既定的形状。这项技术达到一定程度之后将彻底改变钢材的应用范围。例如，当无人机需要穿越一个较为低矮的地方，如果采用了这种液态金属之后，它可以瞬间变成扁平状，一举飞跃障碍。
液态金属范文第6篇
这一科学幻想色彩浓厚的机器人也许未来将成为现实。前不久，清华大学医学院与中国科学院理化技术研究所联合研究小组，研发出了世界首个自主运动的可变形液态金属机器，为研发可变形机器人迈出了重要一步，为人类制造出可变形机器人“终结者”指明了方向。
神奇特性：能“吃”、会动、自主变形，这个机器身子很柔软
在清华大学医学院生物医学工程系刘静实验室里，出现了这样一幕：电解液中，直径约5毫米的液态镓金属球，在吞食了0.012克铝之后，能以每秒5厘米的速度前进。
“有趣的是，我们观察到，这种变形机器不仅能在自由空间运动，还能在各种结构槽道中前行。更令人惊讶的是，它还会根据槽道的宽窄自行调整，拐弯时则有所停顿，好似人在遇到障碍物‘思索’后行进，像极了科幻电影《终结者》中的液态机器人。”刘静说。
刘静和他的研究团队亲切地称该液态金属机器为“软体动物”，因为它呈现的一系列非同寻常的特性，已经相当接近自然界简单的软体生物。
该研究小组已经在实验室中制成了不同大小的液态金属机器，尺寸从数十微米到数厘米不等，并在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中验证了其自主运动的性能。
未来用途：可变形救灾机器人、智能机器人、实现远程拥抱等
1.可变形救灾机器人
刘静说，做出能在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器，以执行常规技术难以完成的特殊任务，是科学界与工程界长久以来的梦想。比如，在抗震救灾或特定的军事行动中，变形柔性机器人能根据需要适时变形，以穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建筑物中的空隙，之后再重新恢复原形并继续执行任务。
2.智能机器人
未来科学家还可将这种智能液态金属单元扩展到三维，组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器，甚至还能研制出相应的机器，在外太空微重力或无重力环境下执行任务。
3.实现远程拥抱
液态金属范文第7篇
《终结者》系列，是科幻电影史上描写机器人与人类对抗题材的代表作之一。在该系列的第二部电影《终结者2》中，未来的超级计算机“天网”统治着世界，而人类反抗组织派机器人T-800回到20世纪90年代，保护当时还是孩童的未来领袖约翰·康纳和他的母亲莎拉。“天网”也派出了一个机器人——比T-800更先进的T-1000，企图杀掉在未来阻碍它统治世界的敌人。正邪两方机器人展开了一场生死搏斗，T-800由施瓦辛格扮演，其强大的力量、不屈的精神，延续了《终结者1》的英雄表演风格；而T-1000这个新角色，则是该电影的另一大亮点：它拥有中枪后自动愈合、能毫无阻碍地穿越铁门、可改变形状的超级金属身体。机器人杀手T-1000身上的液态金属材料，令观众眼前一亮，本期就为你详细解说这种材料。
Real Story
液态金属
按照电影的设定，T-1000有一层人类的外皮，而皮囊之下，都是液态金属，由计算机芯片控制，全身可随意变形，能够模拟任何体积相当的物体形态，还能在固体、液体之间随意转换。当需要躲藏的时候，他把全身都变成液态浸入地板，等人走掉后再浮上地板；当穿越铁栅栏时，他将部分身体变成液态，穿过铁栅栏后，再恢复固态。
那么，现实中的液态金属是什么样的呢？
大家都知道，物质的状态分为气态、液态、固态。气态物质分子的运动是无序的，而固态是有序的，液态介于两者之间，非结晶合金材料则正好跟液态物质的微观结构相似。液态金属就是非结晶合金材料的一个别称，它拥有独特的非结晶分子结构，与传统金属的结晶结构截然不同。像我们平时用的体温计里的金属汞，就是唯一在常温下存在的液态金属。
液态金属具有低熔点、超强塑形能力、高屈服强度、高硬度、优异的强度重量比、超高的弹性极限、抗腐蚀、高耐磨等特性。而其最大的优势便在于高塑性、高强度和高硬度。
电影中T-1000在与T-800遭遇时屡占上风，将主角一行人追杀得狼狈逃跑，其超凡的本领便归功于他的身体——液态金属的这几个特点。
凝固点与熔点的妙用
电影中，机器人T-1000的身体被破坏后能够自我还原，能在-160～3000℃的温度下生存，几乎不可战胜。有一段剧情，描述泄露的液氮使T-1000身体瞬间凝固，又碎裂成块，最后在流淌着的滚烫的钢水中恢复成形。我们知道，氮的沸点是-196℃，在正常大气压下，温度低于-196℃时就会形成液氮。因此，构成T-1000身体的液态金属在遇到液氮时，液氮会迅速汽化吸热，使液态金属的温度降低，瞬间凝固。到后来他在高温的钢水中恢复身体，则是达到熔点，回复液体状态，然后恢复身体形状。这都是利用物质的凝固点和熔点，达到物质状态转换的目的。
在生活中，这种转换也极为常见。例如，在计算机的CPU中，有一种低熔点合金。它在常温下是固态的，熔点为59℃，而沸点超过2000℃，所以不用担心它会挥发。当CPU全力工作时，该合金就会熔化，将CPU芯片与散热器紧密地结合起来，就可以有效地延长计算机的使用寿命。这种低熔点合金虽然没有T-1000那么神奇，但也属于液态金属的范畴。
False Tale
温度的玄机
在电影的最后，T-800将T-1000打入了炼钢炉中，使其熔化，最终消灭了这个可怕的敌人。但事实上，钢水的温度最高只有1600℃，远未达到构成T-1000的液态金属的熔点——3000℃。因此，T-1000就算被熔化，也不会受到根本性的伤害。假如一定要给一个科学的解释，那就只能假设T-1000在炼钢炉中熔化后，和钢水融为一体，无法维持自己形体的连续性，从而丧失了智能，最终灭亡。
History and Future
液态金属范文第8篇
近日，我国科学家团队鼓捣出一种仿生液态“金属机器人”，据说它在“吞食”少量“食物”后，就可以欢快地活跃1小时，而且它在通电的时候还可以改变形态。虽然这家伙和电影里那个机器人相比，还差得很远，但是它确实打开了我们想象力的魔盒。
可在你手心里融化的古怪金属
这个液态的“金属机器人”是用镓合金制成的。一般来说，金属在常温下都是固态的，比如铁和铝之类的，但是总有一些金属是特殊的，它们在常温下能够维持液态。其中，我们最熟悉的是水银，也就是汞，它的熔点是-38.87℃，你可以在传统的玻璃体温表里找到它――摔碎的体温表里滚出的银色珠子就是水银，它像水滴一样可爱，但是潜藏在这可爱外表下的是它强大的金属毒性。尽管它的沸点是356.6℃，但是常温下也会形成蒸汽，引起中毒。所以，水银虽然外观可爱，但不能随便拿来玩。
尽管会在手心上融化，但是镓在常温下并不是液态的，因为它的熔点是29.78℃。不过，镓的沸点却高得出奇，达到了2 403℃，比银的沸点还要高！一般这个级别的沸点的金属，熔点都在几百一千左右，镓你这样真的好么？
这其实和镓的特性有关，它是弱金属性，而且外层3个电子很难形成稳定结构，形成的金属键很弱，液化很容易，但液态的时候还出现了一种类似非金属的结构，因此彻底将它汽化又变得非常困难。不过镓很奇葩的是它很容易过冷，或者说，就是加热冷却的时候，本来到了该凝固的温度了，却还能保持液态，甚至在室温下可以保持液态好几天，不过这时候要是加入晶核粉末或者震动它，会迅速引起结晶。这种因为震动而瞬间结晶的现象在夏季冰箱里过冷的啤酒、饮料中也会出现，非常有趣。
不过，科学家进一步找到了使它在常温下稳定维持液态的方法――制成合金，使它处于一种特殊的非晶状态。如镓和铟可以形成低熔点合金，含25%铟的镓合金在16℃时便熔化，Galinstan合金（68.5%镓、21.5%铟和10%锡）在常温下也是液态的。这两种合金都能造出液态的“金属机器人”。
金属也可以变形？
事实上，这个“金属机器人”没有想象中那么神奇，也不能变成科幻电影里的那种人类状态，它只是个能自己满地爬的合金液滴。不过，这也相当了不起，至少看起来已经像个低等的小生命了。
早在它被制造出来之前，研究小组就对镓合金的变形特性进行了多年研究，鉴于镓合金有很好的导电性，于是研究小组有了一个大胆的想法――用它来修复断开的神经！他们将这种合金注射到青蛙腓肠肌中被剪断的坐骨神经部位，然后施加刺激，神经兴奋会产生生物电信号，而镓合金以导体身份连接了神经破损的部位。结果，断掉的神经恢复了传导功能。而且，镓合金没有毒性，不会被人体吸收，又有很高的X射线反射率，在神经修复后可以很容易找到并将之抽出，这一研究为神经修复开辟了新途径。
在不断的研究过程中，研究小组还发现了镓合金的电控变形现象：当镓作为一极的时候，比如说正极，在导电溶液管道中，它会像蚯蚓一样自我伸长去连接负极。其背后的原理是，液态金属与水体交界面上的双电层效应。说得简单点，就是电流在通过水体传播的时候，会对液态金属产生类似静电吸附的拉力，而逐渐将它拉长。而如果在开放的非管道环境内，这种液态金属就会变得像章鱼一样，伸出很多触手了。如果使用多个电极，那它的形态是不是会变得更加复杂？我们是不是能够借助电极的力量设计它的形态？如果是使用超大规模集成电路呢？那么，控制金属变形也许不再是梦想。
金属生命终将出现？
故事到这儿还远未结束，研究小组很快就针对镓合金的电控变形这一特征有了新想法，假如镓合金能自己产生电流，那是不是就更好玩了呢？它会变成什么样子？
他们想到了给镓合金液滴喂铝当“食物”。铝的化学性质非常活跃，但是我们生活中接触的铝却非常稳定，可以做成器具，其原因是铝能与空气中的氧气反应形成氧化铝，这是一层能够覆盖在铝表面的致密保护膜，阻止铝的进一步化学变化。如果没有这层氧化铝薄膜，你要是用铝盆来端水，乐子可就大了，铝会迅速和水反应生成氢氧化铝和氢气，然后在剧烈的冒泡儿反应中，你手里的铝盆漏了……
但是，镓合金能破坏掉铝的这层保护膜，特别是在氢氧化钠溶液中更能引发深层次的反应。于是，当塞进一小片铝的时候，铝在氢氧化钠溶液中开始反应，生成氢氧化铝和氢气，氢氧化铝是酸碱两性的，遇到强碱氢氧化钠会以铝酸的形式反应，生成铝酸钠和水。铝片就这样一点一点被消耗，然后溶解在水中，化学反应的同时产生了电子的传递，也就是电流，这些电流引起了镓合金的变形。由于金属小球前后受到的压力不平衡，引起了它的自旋，化学反应产生的小气泡也会推动它前进，它就这样“滚”起来了、“爬”起来了。于是，在氢氧化钠溶液或者盐水中，它就像一个小小的生命一样，可以从管道的一头爬到另一头，一秒钟5厘米，一小块铝片就能让它活跃上1小时。等铝片反应完，它就又“饿”了，需要再来一点铝才能补满能量。这也许就是液态机械生命体迈出的第一步？
液态金属范文第9篇
美国加州理工学院开发出一种全新的自愈微芯片，像终结者一样，这种芯片能够在激光多次冲击中幸存。该学院的科研人员在一个区域上放置76个芯片组件，组成一块和硬币大小相当的芯片，然后用大功率的激光器对这些组件发射激光进行破坏，这块芯片却能在一秒的时间内迅速恢复运作。
这就是金属的自我修复功能。美国麻省理工学院（MIT）材料科学和工程教授迈克尔·戴姆克维兹和研究生徐国强在一项金属特性实验中也意外发现，在受到外部力量作用产生裂痕后，金属的晶粒边界会展开大面积修复行为。
自我修复，是生物界在长期进化过程中获得的自我防御机制之一。大多数金属都是由细微的晶粒构成，晶粒的大小和方向能够影响金属的强度和特性。金属合金分子结构电脑模拟显示，微晶粒之间的边界会在压力下出现裂痕。但在某些条件下，压力可以让这种晶粒的微观结构发生改变：使晶粒边界发生移动，而晶粒边界移动则是修复“创伤”的关键。
事实上，科研人员一直在对固体金属中晶粒边界的移动进行着研究，早在一个世纪前这种现象就已经被观察到，当时认为只是一种奇特现象。他们发现只有部分晶粒边界延伸到一个晶粒时，才发生自我修复的现象，并不是所有部分。当时被称之为“向错”的缺陷。
“向错”缺陷带来的结果实际上就是金属的自我修复功能。戴姆克维兹教授和其学生在实验中意外发现这种修复行为后，为重现这一现象，他们为之建立了计算机模型，通过模型演示清楚地观察到金属材料在遭受外力创伤时，晶粒边界发生移动完成自我修复的过程。
事实上，金属内部原则上都存在一个尽可能减小外力所造成的裂痕的机制。“向错”有强烈的应力场，实际上它们完全可以减弱外加负载产生的影响。当破裂的材料两边被撕开时，这种机制阻止裂痕不再进一步扩大，并且使之产生愈合。
“这项技术可能也适用于影响金属的其他类型的失效机制，如塑性流动不稳定性——类似于拉伸一块太妃糖，直到它断裂。对金属的微观结构研究认为创造旋转位移可以减缓此类失效的发展。”中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静告诉记者。
这些失效是造成很多材料寿命受到限制的因素，包括用机、油井和其他重要工业应用的材料在内均是如此。金属疲劳，如纳米裂纹随时间不断积累，可能是结构化金属最常见的失效模式。如果你能找出防止这些纳米裂纹发生，或一旦形成后能加以立即修复，或阻止它们扩展的方法，将可望提高组件的寿命或安全。
引发新材料革命
事实上，这种自我修复机制相当简单。科研人员沿着线路部署10微米大小的充满了液态金属镓铟合金的微型胶囊，如果电路下方出现裂缝，那么胶囊就会裂开去修复电路，溢出的液态金属能恢复99%的导电性。这种微型胶囊能“治愈”大部分测试电路，用时只需一微秒，便能让电压恢复到正常值。
现在的可充电电池在多次重复使用后会因设备内部的损害中断电流引发故障，科研团队希望借用这一技术研制出寿命更长的可充电电池。届时电动汽车电池维护成本也将减小。这一成果还可用来制备具有自我修复功能的电子芯片和电子设备。
目前主要的技术难点在于如何让胶囊知道电路已经损坏，现阶段胶囊开裂的可能性为90%。科研人员表示，这项技术也能在常见的印刷电路板上使用。
除此之外，部分金属与其他特殊材料混合制成复合材料后，其具备的自我修复功能还可以用于军事方面。美国五角大楼曾检测一项可自我修复的新材料，这种材料由镁、铝等金属，与其他特殊材料混合构制，其内部呈泡沫结构，熔点相对较低。
若把这种材料用在装甲车外部，当遭到火箭弹等重型武器攻击时，这种材料中的泡沫便会破裂，裂缝将被气流携带的金属液体迅速填补愈合，之后凝固，就能使装甲车恢复如初。这种机制一旦被人类掌握，便可能研制出更多新式材料，应用在工业、军事等方面。
当然，这种自我修复能力还被科研人员用于人造肌肉自我修复方面的探索。
美国得州大学纳米技术研究院的教授雷·鲍夫曼的研究思路是，利用电池或电源线为人造肌肉提供生命能量。如果能像人类肌肉通过食物供应获得再生能力一样，人造肌肉能够利用自我供电的方式获得能量，人造肌肉就会迈出伟大的一步。
最初的时候，鲍夫曼小组利用几层碳纳米管研制成人造肌肉，由于碳纳米管能够容纳大量的电荷，向这些层状碳纳米管中施加一定的电压后，这些人造肌肉能够收缩。鲍夫曼随后将层状碳纳米管与燃料电池相连，这些燃料电池能够将化学能转化成电能。
但是碳纳米肌肉有一个很大的局限，虽然产生的力量是人类肌肉的100倍，但它的伸缩幅度太小，不能用于人造器官等装置。
于是，鲍夫曼开始尝试另一种完全不同的新材料——镍钛诺。它是一种镍钛合金，拥有记忆形状的特殊能力，这种合金能够很容易地弯曲或伸展，外力消失又会很快恢复到以前的形状。
鲍夫曼将这种合金做成电线，这些电线能够“记住”两个不同的长度点。镍钛诺人造肌肉最大的优点是伸展幅度非常大，完全可以达到机器人和人造假肢的要求。
目前，具有记忆形状的镍钛诺肌肉所需要的循环系统还在研究中，人造肌肉在控制精确性、耐受力和生物相容性等方面还需要改进。
自我修复材料
为了寻找有效的新材料，实现金属自我修复的功能，科研人员试图通过人为手段来实现。
北卡罗来纳州立大学的科研人员就发现了一种使用液态金属和特殊聚合物制造电线的方法。这种液态金属电线具备极强的伸缩能力，可以拉伸为原始长度的8倍。在拉伸的过程中电线还可以正常使用，即便完全切断也具备自我修复的功能。
为了制备这种具备自我修复能力的电线，科研人员专门制造了一种由聚合物材料构成的外部护套。他们将铟和镓的液态合金放置于这一同样具有可延展功能的护套通道之中，发现和液态合金相连的电线可以导电使得灯泡变亮。
为了验证这种液态金属的自我修复能力，科研人员用剪刀将护套以及液态金属的通道剪断，灯泡随之熄灭。但外露的液态金属因为被氧化，形成了坚固外层，不会有泄漏。再将剪断的两边接合起来，液态金属又恢复了流动，灯泡也再次被点亮，可见其修复能力使得接合效果与断裂之前相同。
事实上，刘静认为，相变过程中，金属中的支晶有的像狼牙棒、有的像仙人掌，确实会产生自我修复，但其状态和程度取决于很多因素，比如单质的金属和合金就不一样，温度的高低也会产生不同的影响。这说明金属在固态变为液态的时候会发生相变。
如果将这样的液态电线与小型录音设备相连，嵌置于桥梁或水坝内，电线会随着压力变化而伸收，建筑结构的安全性便可以被实时监测。这些成果还可以用于从耳机线到手机充电器电线等各种导线和电子纺织品中，负责该项研究的迈克尔·迪基博士表示，包裹在特殊材料护套中的液态电线，不仅可自我修复，还具备可根据其接收的无线电波长来自我调整的能力。这种液态金属电线可以供可携式无线设备使用。
成绩与挑战
在金属修复能力机制探索方面，由刘静领导的中国科学院理化技术研究所与清华大学联合小组同样有所建树，其科研成果发表于美国物理学会《应用物理快报》上。核心思想在于：他们在驱动弹性体方面引入了具有超级顺应性和平面自修复特性的液态金属薄膜电极技术，其中液态金属薄膜平面自修复现象系首次发现。
由于采用了液态金属电极，这一技术可以实现的弹性材料形变量，显著超越了以往的固体金属电极技术，以及近年来引起关注的纳米金属颗粒浆料电极技术，在人工肌肉、柔性电子和智能服等方面有着重要的应用价值。而且，与以往金属自修复机制不同的是，该材料的修复过程完全依靠电学激励，无需借助机械力作用，因而易于发展成纯电控的智能器件。
事实上，该小组在以往的试验中还曾发现，金属在固态变为液态的时候会发生相变，出现不同的相态和不同晶体。在力学和其他外部条件的作用下，会呈现形态各异的支晶，类似于雪花、冰晶，这可用于材料特性的控制。金属材料的自修复行为是一个新兴的领域，为许多非常规应用打开了大门。然而，要实现特定技术的产业化应用，还需解决所面临的一系列基础和应用问题，比如材料组分、结构与功能的对应关系，材料设计与器件集成乃至最优应用方式的探索等。
液态金属范文第10篇
在人们的概念里，金属与玻璃是两种无论是外观还是性质都截然不同的材料，所以“金属玻璃”这个名字听上去就有些不可思议。还是让我们先进入金属和玻璃两类材料的内部结构作一番探究吧。
一般来说，现有固体材料可分为晶态和非晶态两大类。金属是典型的晶态材料，它们由许多晶粒组成，在晶粒内部，原子呈规则排列（但在晶粒间结合处的原子则排列无序）。液态金属冷却变成固态金属的过程中有确定的凝固点，达到这一凝固点时，晶体结构便形成了。玻璃则是典型的非晶态材料，内部原子呈无序排列（但在很小的范围内观察，还是有一定的规律性）。玻璃从液态到固态是连续变动的，没有固定的凝固点。
从上面可以看出，非晶态结构是整体上无序，但在很小的尺寸范围内存在着有序性，而晶态结构是整体上有序，但在很小的尺寸范围内也存在着无序性。所以两者之间也有共同特点。而物质在不同条件下，既可形成晶体结构，也可形成非晶体结构。比如，金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态金属；而玻璃经过适当处理，也可形成晶态玻璃。
1960年，美国科学家杜威兹首先发现某些液态贵金属合金（如金硅合金）在冷却速度非常快的情况下，其内部的原子还来不及排好位置，尚处于杂乱无章的状态时，便凝固了，成为非晶态金属（合金）。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”。
金属玻璃不寻常的结构决定了其特性。晶态金属或合金中，原子虽然排列得很整齐，但当晶体内有缺陷时，该金属或合金就容易断裂，好比搭积木一样，抽掉中间一块，一般就会倒塌。而金属玻璃，原子排列杂乱无章，好比不规则形状的石头堆成的高台，挖掉一两块，也无关大局。因此金属玻璃的断裂强度可以比钢大3倍。
金属玻璃由于不存在晶粒边界，排列紧密，因此它的硬度更大，即使遭到外力重击，原子也很容易回复原位，同时还具有很强的抗腐蚀能力。也正是由于没有晶粒的体积限制，金属玻璃很容易被制成纳米级的微型器件。
金属玻璃最令人感兴趣的是它的可塑性。在一定的温度下可以像泥巴一样，“捏”成任意形状，但完全冷却后又变得非常坚硬。虽然从严格意义上来说，金属玻璃并不是液体，但是由于它没有固定的外形，可以像液体那样流动，有时候也称之为“液态金属”。电影《终结者2》中的那个可怕的液态金属机器人，想必还令人记忆犹新。它可以变成任意形状，可以从狭小的缝隙间钻过，正是体现了金属玻璃的神奇之处。
把金属（或合金）在高温下熔融后，通过一个喷嘴喷到高速旋转的光滑钢质辊面上，使其急剧冷却（接近每秒钟100万摄氏度）就有可能变成金属玻璃。因为一般金属单质极难生成非晶态结构，所以已制得的在室温下稳定存在的金属玻璃都是两三种或更多种元素的形成的合金。
一开始，这种金属玻璃大都是很薄的带状材料，应用受到限制。于是，科学家们开始寻找生产“块状金属玻璃”的方法。20世纪90年代初期，杜威兹的学生约翰逊终于研制出一种合金，并创建了液态金属技术公司。这种被命名为Vitreloy的合金中含有锆、钛、铜、镍及铍等金属原子，锻造温度仅在400℃左右，而锻造钢需要达到1000℃的高温，这使得它有可能成为一种理想的制造用材。