随着常温液态金属一系列革命性应用的发现，这类以往只被零星研究或只在特殊领域引发关注的材料逐渐进入公众视野，促成了若干新科学发现，也打开了诸多变革传统技术的大门，正孕育着无尽的科学与技术前沿。

液态金属泛指处于液态的金属，传统意义上是指熔点在数百摄氏度甚至更高的金属的熔炼和加工成型方面的内容，研究相对成熟。当前在世界范围引发广泛瞩目，已成重大科学热点的主要是常温液态金属，通常指熔点在室温附近的金属或合金。

1、低熔点金属，“绕指柔”的液态金属

液态金属的定义其实有两种。第一种定义很容易理解，即指在室温附近或更高一些的常温下呈液态的金属，又称低熔点金属。科幻影片《终结者》当中，无所不能的机器人正由液态金属制成。

低熔点金属是一种神奇的材料。在元素周期表现有的118个元素中，非金属只占22种，而金属则高达96种。然而在如此多的金属中，只有零星几种在常温下处于液态，如31号元素镓（Ga，熔点29.76℃）、37号元素铷（Rb，熔点38.89℃）、55号元素铯（Cs，熔点28.44℃）、80号元素汞（Hg，熔点－38.86℃）以及87号元素钫（Fr，熔点27℃），其余金属熔点多在上百摄氏度乃至更高。另外，还有少数的几种合金，如钠钾合金，也在常温下呈现液态。

这其中，汞，也就是水银在生活中最常见，可应用于体温计、血压计、电极等领域，但汞毒性极大，且易挥发，会永久性地破坏神经系统、免疫系统和心血管，严重者会导致死亡。其他的几种液态金属，包括钠钾合金、铷、铯、钫，倒都没有谈毒性的必要。因为这些元素均极为活泼，易于空气、水甚至冰发生剧烈反应，产生爆炸，因而只能用在特殊场合。

镓（Ga）是唯一一种兼具安全性和综合性能的液态金属，它的熔点只有29.76℃，常温下为固体，但放在手中就会融化。液态镓可以像水一样流动。它最大的特点就是导热性特别好，可以替代冷凝水和导热油，有望应用于高性能计算机、功率半导体等场景下的热控系统。另外，作为“金属”和“液体”，镓还可以在电场、磁场、重力场、温场下像水一样定向流动，因此其有望应用于3D打印和集成电路制造当中。当然，随着技术的发展，未来人类还可能造出像《终结者》一样的液体机器人。但整体而言，低熔点金属的研究还非常前沿，部分场景还处于设想、猜想乃至于幻想当中，离实际应用还有相当长的距离。

2、空间无限的液态金属物质科学

液态金属超常物质特性

液态金属各种单质、合金或其衍生材料，有着诸多令人匪夷所思的新奇物质特性。特别是在智能材料、柔性机器人领域，液态金属一系列独特科学现象与效应的发现，改变了学术界对于传统物质及经典物理学的认识。其中，可变形液态金属现象的发现，被认为“预示着柔性机器人新纪元将到来”；而液态金属自驱动现象的揭开，则迎来了对人工生命的全新理解。

液态金属物质软化机制

液态金属是典型的软物质，若能实现对更多金属的常温液化和软化，则有重大的理论意义和实践价值。笔者实验室曾为此提出了一种通用的软化目标物质的理论策略和潜在技术途径，通过在原子水平上调控物质的内边界，可以显著降低物质熔点，这将有助于研制更多的软物质。

液态金属催生丰富的界面科学

液态金属由于同时兼有金属性和固有的流体性质而表现出迷人的特性，其与不同气体、液体和固体之间相互作用会发生令人惊异的化学行为，这些基本效应的揭示在化学合成、能量转换、柔性机器和印刷电子等方面具有重大用途。就如生物需要水分一样，液态金属由于溶液体系的引入，迎来一系列独特机器效应与现象的发现；液态金属与特定气体发生反应形成的薄膜，具有一系列材料效应包括半导体效应；而液态金属与各种金属或非金属固体发生合金化或渗透行为，促成了新材料的改性和应用。

液态金属正重塑现代电子工程学

液态金属在电子工程领域的重大应用体现在印刷电子学、柔性电子、生物医学电子等方面。核心制造材料目前主要以镓、铋及其合金为代表，具有优异的电阻率、巨大的拉伸性/弯曲性、可调附着力和表面张力。制造方面则涉及从个人电子制造（直接绘画或书写、机械印刷、丝网印刷、纳米印刷等）到三维印刷的一系列突破。未来液态金属印刷电子在集成电路、微/纳电子器件乃至终端用户电子产品直接制造中将发挥极为广泛的作用。

液态金属开启极端散热全新模式

21世纪初诞生的液态金属芯片冷却方法，为打破高集成度器件“热障”及已有技术面临的瓶颈开辟了革命性途径。由于低熔点金属如镓或其合金，其导热系数比传统冷却剂大得多，在较宽温度范围内能保持液相，是一系列极端散热的终极选择。当前典型方向为：一是作为热界面材料，降低相邻接触物体之间的导热阻力；二是作为流动冷却剂，显著强化对流传热；三是液态金属与匹配溶液实现混合冷却；四是低熔点金属用于相变吸热或储能；五是助力高通量芯片冷却或热管理等。

液态金属磁学科学

由液态金属制成的磁性纳米流体具有比传统流体优越的导热性或导电性，且能够在高温下保持稳定。此外，液态金属磁学的范畴并不只限于此，近期研究发现，其自旋液滴电子本身就是磁体，当溶液中的液态金属（如镓合金）在电场作用下或通过吞食其他金属发生旋转时，其内部形成内生磁场，这种不同于传统刚性物质的全液态磁体可望构筑磁单极子。

流态化液态金属催化科学

液态金属作为流动催化剂为材料科学家提供了新的研发机会，正促成一系列非常规方法的建立。液态金属催化剂包括液相催化剂、光催化剂、多相催化剂和双金属催化剂，以及基于液态金属/金属氧化物框架的催化剂。液态金属系统的典型催化应用包括石墨烯薄膜、纳米带、碳纳米管的生长、腐蚀性全氟辛酸的光催化降解、水分解、二氧化碳还原，以及丁烷或乙炔脱氢、甲醇蒸汽重整和铁氰化钾还原等。

无边界的液态金属复合材料学

纯液态金属或其合金在某些应用中会遇到一定瓶颈，作为一种替代，液态金属复合材料有望解决这一挑战，通过将液态金属与各种宏观或微观的匹配材料协同集成，可设计出一系列新的目标材料，此方面可供探索的科学范畴十分广泛，可望发现新材料，未来将见证成千上万种液态金属复合材料的涌现。

液态金属微纳米材料学

一些情况下，宏观液态金属会因自身高表面张力和大尺寸在灵活性上受到限制。为应对这一挑战，可通过微/纳米技术手段进行创新，以赋予液态金属更加多样化的性能。与传统刚性微/纳米材料不同的是，这些新型功能材料不仅具有液态金属的柔软性，还表现出诸多优异的性能，如良好的自愈合能力和对刺激响应的变形能力，已展示诸多应用机遇和前景。

迄今为止，几乎所有的量子器件均由刚体材料制成，其形状无法变形、分割，一旦制备出来，一般只能按特定结构实现对应功能。若采用液态金属及其对应材料将量子器件予以液态化，则可望实现全新概念的液态量子器件。通过对液态金属以及相应的二维材料、量子材料及拓扑材料予以操控，可望获得各种可变形量子效应器件，由此实现不同于传统刚体系统的量子存储、计算与人工智能系统等。甚至，液态金属也可为高能物理试验提供理想的低成本研究对象，比如采用高能粒子束轰击常温金属液滴，或更易于激发出相应的微观粒子，这将降低试验成本乃至加速基础发现。

液态金属生物医学科学

传统的生物材料，如坚硬金属、聚合物、复合材料和陶瓷，在面临某些严峻的医学挑战时可能无法正常工作。作为替代方案，常温液态金属作为新一代功能材料，已显示出许多优于传统生物材料的非常规特性，正在成为一个崭新的生物医学材料类别，此方面近年来取得的基础性发现和技术进步正在促成有关新型治疗和诊断方法的建立，为打破一些现代生物医学难题面临的瓶颈提供了富有前景的解决方案。

液态金属空间科学

随着深空探测和商业飞行的快速发展，出现了一系列严峻的挑战，迫切需要更先进的技术来应对。液态金属在地球上取得的突破，也为解决空间环境中的极端问题提供了有希望的手段。然而，在微重力环境中，液态金属的许多物理化学行为可能会发生改变。为此，有必要探索空间与地球上的液态金属由于重力效应引发的各种基本问题和实际应用差异，从而更好地推动空间科学与技术的进步。

3、机遇与挑战

液态金属目前处于产业初创期，具有重大产业化前景。液态金属是一种高新技术材料，具有卓越的物理、化学和力学性能，是电力、电子、计算机、通讯等高新技术领域的关键材料，市场需求大，产业化前景非常广阔，而且它的发展和应用可带动一批相关领域的技术进步和协同发展。

在电子技术中，液态金属以其高效、低损耗、高导磁等优异的物理性能有力促进了电子元器件向高频、高效、节能、小型化方向的发展，并可部分替代传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体等材料。可以预测，在未来的电子技术中液态金属将占据十分重要的位置。

众所周知，人类对技术的终极追求就是制造一切，其中的关键在于功能制造，而电子器件又首当其冲，已有的电子制造方法大多昂贵、耗时、耗材及耗能。液态金属印刷电子学的出现，被业界普遍认为，“找到了室温下直接制造电子的方法，就意味着打开了极为广阔的应用空间乃至通过家用打印机制造电子器件的大门”。这一全新的电子制造模式，打破了传统技术的瓶颈和壁垒，使得在低成本下快速、随意地制作个性化电子电路特别是柔性功能器件成为现实，预示着一个人人触手可及的电子制造时代的到来。

除了电子制造，液态金属还赋予了我们各种重大技术畅想。比如在先进能源与动力系统如航空发动机冷却方面，由于液态金属直到2000ºC以上还处于液态，因而飞机发动机叶片冷却可望迎来全新解决方案。在生物医学健康领域，可发展出一系列超越传统的诊断与治疗技术，如液态金属仿生器官、电子皮肤等。而在仿人机器人方面，类似于科幻电影《终结者》中的机器人那样的液态金属可变形机器人正被逐步探索。在超常规信息技术方面，液态金属可变形计算机乃至量子计算机正开启重大机遇。正如人类历史文明启示的那样：“一类材料，一个时代”。如果说可以像历史上那样用金属去刻画一个时代的话，液态金属或可部分用以定义其即将到来的新时代，即液态金属时代。

当前，世界科技正处于革命性变革的新阶段，以物质、能量、生物和信息为特征的液态金属前沿学科堪称催生突破性发现和技术变革的科技航母。液态金属科学前沿涉及液态金属物质属性的方方面面，如：电学、磁学、声学、光学、热学、流体、力学、化学、生物医学、传感、柔性可变形机器效应等，已展示出诸多可供探索的途径和新方向。对这一领域的重要主题，如：液态金属材料及其物质基本属性、表面和界面物理特性、流体效应、驱动机制、热学效应、电学效应、磁学效应、化学效应、力学效应、光学效应、传感效应、柔性可变形机器效应、生物学效应以及各种衍生出的问题加以探索，将迎来层出不穷的科学与技术突破。可以说，未来已来的液态金属时代已跃然入画！

文章来源： 科学杂志1915，星空财富BJ，中科普金