液體的可控流動與操縱具有十分重要的科研價值和潛在應用，并且一直是一個難題。鎵基室溫液態(tài)金屬（Gallium、EGaIn和Galinstan等）作為一種特殊的流體具有出色的流動性、高電/熱導、可控表面以及可合金化等諸多性能。這種多合一的性質為液態(tài)金屬提供了多種操縱方式。

鑒于該領域目前的研究熱度以及快速發(fā)展，澳大利亞伍倫貢大學（University of Wollongong）創(chuàng)新校區(qū)超導與電子材料研究所所長王曉臨教授團隊在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表了題為“Controllable Flow and Manipulation of Liquid Metals”的綜述文章，賀亞華博士為第一作者，博士生尤靜以及美國北卡羅萊納州立大學（North Carolina State University）Michael Dickey教授為共同作者。該綜述回顧總結了鎵基液態(tài)金屬通過機械力（微流控、噴嘴打?。?、電場（可控表面張力的流體動力學）、磁場、電磁場、聲場、光場以及其他方式實現的可控流動與操縱。從根本機理、控制方式以及潛在的應用進行了總結與展望，并提出了目前研究中存在的問題，對之后這一方向的研究具有重要的指導意義。

圖1 液態(tài)金屬的多功能性為其提供了多種操縱方式

基于微流控的液態(tài)金屬可控流動

由于液態(tài)金屬出色的流動性，其可以被注入到微流控通道內。由于其表面自發(fā)形成的氧化物限制層（含氧環(huán)境）能讓液態(tài)金屬在通道內形成穩(wěn)定的結構，這使得液態(tài)金屬非常適合被注入到彈性通道（如PDMS等有機物）中構建可高度變形和重構的電子器件。在限制表面氧化物形成時（例如在可溶解氧化物的NaOH溶液中），可實現可控大小的液態(tài)金屬液滴（droplets），并實現液滴的可控運動。

圖2 液態(tài)金屬在微流控通道內的可控流動

可控的流體點膠與打印

液態(tài)金屬也可以從噴嘴以不同的形態(tài)擠出來實現可控的流體點膠和打印，具體可分為自支撐結構和外部結構支撐倆種不同的方式。液態(tài)金屬的自支撐結構主要依靠其表面氧化物使其形成穩(wěn)定的結構，可通過逐滴噴出、霧化以及短線的方式來實現如3D打印和模版印刷等。外部支撐結構包括近距離襯底、水浴支撐以及修飾改性（例如液態(tài)金屬墨水）來實現更復雜、更大空間跨度的立體結構。

圖3 基于噴嘴的可控的流體點膠和打?。鹤灾谓Y構和外部支撐結構

表面張力的調控

對于流體，表面張力是一個重要的參數，其會使液體趨向于最小化表面積。和其他流體比較起來，液態(tài)金屬具有極高的表面張力（> 400 mN/ m），因此液態(tài)金屬會趨向于形成液滴，其運動也會受到限制。當將液態(tài)金屬置于電解質中時，其表面張力可通過有效的方式進行調控，從而實現可控流動與操縱，具體可分為倆類。第一類是通過重新分布液態(tài)金屬的表面電荷來制造表面張力梯度（例如將液態(tài)金屬置于電場之間），電荷密度越高的地方表面張力越小，稱之為電毛細管現象/電潤濕 （electrocapillarity/electrowetting）。在電場下不均勻的電荷分布，會使液態(tài)金屬向表面張力小的方向定向運動，這種可控運動可用于構建液態(tài)金屬泵和輪形機器人。

圖4 電場作用下的表面電荷不均勻分布所導致的液態(tài)金屬的可控運動

但是第一類方法降低表面張力十分有限，為了達到極低的表面張力，第二類方法將液態(tài)金屬連接正極，通過控制表面氧化的形成來調控表面張力（過厚的氧化物會限制液態(tài)金屬的流動性），稱之為電化學控制的氧化（electrochemical controlled oxidation）。第二類方法可以將表面張力減小到10??mN/m，從而實現液態(tài)金屬的可控形變與運動控制，例如管道內定向變形移動、多孔介質的穿透效應以及高/低表面張力狀態(tài)切換控制的“液態(tài)金屬心跳效應”等。

圖5 通過將液態(tài)金屬連接正極來控制其表面氧化物的生成，從而更大范圍調控表面張力來實現可控形變及運動

磁場控制

液態(tài)金屬自身對磁場是沒有響應的，但是由于其合金化的能力，一些磁性顆粒可以被添加到液態(tài)金屬里面，從而可以通過磁場來控制液態(tài)金屬的運動。根據添加磁性顆粒后液態(tài)金屬的形貌差異，可將磁場控制分為倆類：第一類是簡單的液滴運動控制，液態(tài)金屬保持液滴的形態(tài)（高表面張力），通常是在液態(tài)金屬液滴表面覆蓋一層磁性顆粒如鐵。液滴可在平面內被控制做一些簡單的定向移動。第二種是將磁性顆粒均勻分布在液態(tài)金屬內部，從而構建一種泥漿狀的液態(tài)金屬混合物，從而使更為復雜的運動控制，包括磁性驅動、自修復、變形、打印以及可逆的書寫等。

圖6 通過對液態(tài)金屬添加磁性顆粒從而實現多種磁性控制

電磁場控制

由于液體金屬優(yōu)秀的導電性，將通電的液態(tài)金屬置于磁場中，便可以使電磁交互感應作用于液態(tài)金屬上，從而實現液態(tài)金屬運動的電磁場控制。目前的操縱方式大致可分為三類：變化磁場產生電流、直接對磁場中液態(tài)金屬注入高電流以及磁場中液態(tài)金屬的電化學電流。

圖7 電磁場作用下液態(tài)金屬的可控運動

聲場和光場控制

由于液態(tài)金屬流體的特性，其很容易通過吸收聲波的能量來實現聲場對液態(tài)金屬的控制。目前聲場主要分為高頻（高達MHz）和低頻（ ~ 40 Hz）控制。高頻的高能聲波可以將液態(tài)金屬震蕩形成尺寸可控的納米級液滴并促成一些反應，同時可實現對液態(tài)金屬的可控運動。而低頻聲波則可實現特別的流體現象，例如不同的表面圖案、流體震動以及軌道運行等。而光場控制則主要是基于液態(tài)金屬的高熱導以及較低的熱容，在激光的照射下，液態(tài)金屬會呈現出明顯的升溫現象。不均勻的溫度分布會是液態(tài)金屬在溶液中受到可控力的作用，從而實現定向運動和可控形變。同時，一些光敏材料也可用于液態(tài)金屬的光場控制。

圖8 聲場和光場作用下的液態(tài)金屬的可控運動，形變以及獨特的表面圖案

其他控制方式

除了以上系統(tǒng)研究過的控制方式，其他方式如液態(tài)金屬表面和襯底界面調控、微尺度控制、介電泳以及電遷移等也得到探索。

挑戰(zhàn)與機遇

綜上所述，目前關于液態(tài)金屬的可控流動與操縱的研究取得很大的進展，但是如何實現高效且簡便的控制方式，如何提高打印過程的可操作性和結構分辨率以及如何實現高精度的控制還有很大的探索空間。同時，對于溶液環(huán)境中的液態(tài)金屬，其界面狀態(tài)（包括表面氧化物的動態(tài)形成與溶解）一直沒有得到有效的解釋。這些目前階段存在的問題都還需要進一步的研究。

審核編輯：劉清