小机器人从固态变为液态，在磁场的引导下成功穿过了“牢笼”，并通过放置在栏杆外的模具重新凝固，成功“越狱”。

这种科幻电影《终结者》中的情节，出现在中美科学家联合提出“磁控固—液相变材料”的实验中。这一新材料在交变磁场的作用下对固态的金属加热，使之变成液态，随后通过冷却再由液态转为固态。

1、固液转换“信手拈来”

液态金属一般是低熔点的金属。据蒋乐伦介绍，液态金属在30摄氏度以上是液体，而30摄氏度以下是固体，这与人类生存的温度相符。

为了充分利用液态金属在特定条件下固—液切换的特性，研究团队将磁性颗粒混合融入液态金属——镓中。通过高频的磁场加热，该金属会由原先的固态转变为液态。转变为液态后，又可以通过半导体制冷（珀耳帖效应）或者自然冷却来对金属进行降温，从而使之由液态变为固体。

此外，加入磁性颗粒后，施加的外部磁场还可以引导液态金属移动和转动、变形等。

据了解，这一磁控的固—液相变材料，在固态时有较高的刚度，而在液态下可以像水一样，融合了固态与液态情况下金属的优势。

在研究过程中，从如何让金属快速冷却，到如何使材料具有生物相容性，以此拓展材料的应用场景，团队遇到了很多挑战。最终通过配方的不断调整、细化，我们实现了较快的冷却，也有望未来在人体中应用。

2、相变材料的应用

1）相变材料在航天领域的应用

航天器发射到太空中在与大气层摩擦时会产生大量的热，这些热量经接触面传递到航天器内部，使仪器设备过热从而影响航天器的稳定性。所以需要对航天器进行热控制，减少高温外壳传递给航天器内部的热量，或者增加仪器设备的热容量从而控制仪器设备的温度。

相变材料具有较大的储热能力，可以包裹在仪器设备的表面吸收外部环境热源，减少内部温度上升幅度，保持在一定的温度范围。

2）相变材料在建筑领域的应用

随着人们对环保能源的需求不断增加，开发节能和高效热管理的建筑材料已经成为研究的热点，在建筑产品中加入潜热储存材料可以极大地提高蓄热能力。

相变材料具有较高的存储密度和较小的温度变化，在建筑物的墙壁、天花板和地板的热量储存可以通过在这些内部封装或者嵌入合适的相变材料来增强，它们可以直接捕获太阳能或者通过自然对流来获取热能，降低建筑内部空气温度波动幅度，使得室内温度在较长的时间内保持在人体所需的温度范围内，从而提高人体的舒适度。

3）相变材料在太阳能领域的应用

储能已成为可再生能源技术系统的重要组成部分，太阳能热利用系统相较于于光伏系统，具有较高的利用效率，可以在白天利用太阳能，然而它没有足够的储热备份来在太阳辐射小或者没有太阳辐射时保持运行。相变材料的利用可以使太阳能热利用系统达到24h高效利用。

4）相变材料在电池热管理领域的应用

随着锂离子电池市场在个人电子、电动交通和固定储能方面的不断增长，锂离子电池的安全问题面临着持续挑战。电池热失控会造成严重后果，所以每个设计阶段都需要保护措施。对电池进行热管理是一种解决电池热失控的有效方法。

利用相变材料的高储热密度吸收电池在使用过程中释放出的热量，可以有效防止电池发生热失控。

5）相变材料作为热界面材料的应用

热界面材料(TIM)是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要作用是填补两种材料结合或接触时表面产生的微空隙及凹凸不平的孔洞，减少热传递的阻抗，提高散热性。

相变热界面材料融合了导热垫片和导热膏的双重优点，在达到相变温度之前，具有和导热垫片类似的优点，具有良好的弹性和塑性，但当电子器件工作温度升高到熔点以上时，就会发生相变成为液态，从而有效地润湿热界面，具有和导热膏一样的填充能力，能够最大程度地填充界面空隙，可以使两材料界面之间的热阻大幅度下降。

此外，相变热界面材料还具有能量缓冲的效果，通过相变过程的热量吸收或释放，额外增加热耗散的路径，有利于余热的传播和扩散，防止温度急剧上升，使器件的工作温度得到缓解，从而延长使用寿命。

相变材料的开发已逐步进入使用阶段，主要用于控制关键器件温度、利用太阳能、储存工业反应中的余热和废热。低温储能主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系统，高温储能用于热机、太阳能电站、磁流体发电及人造卫星等方面，在工程保温材料、医疗保健产品、航空航天器材、军事侦察、日常生活用品等方面具有广阔的应用前景。

文章来源： 蝌蚪五线谱，福斯曼