近日，从中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称青岛能源所）获悉，该所绿色反应分离与过程强化技术中心研究员李朝旭带领的高端材料制造组群研究团队，成功开发液态金属基自振荡异质膜材料，可用于电磁感应湿环境能量收集。相关成果于发表在《先进功能材料》上。

液态金属：打开传统技术的变革大门

在由工信部和国务院国资委联合发布的第一批前沿材料产业化重点发展指导目录中，液态金属位列其中。随着室温液态金属的一系列革命性应用，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。液态金属促成了若干新科学发现，也打开了传统技术的变革大门。

集两种截然不同的性质于一身

“金属是地球上最丰富也是最重要的材料之一。在元素周期表中，118个元素中超过90个是金属元素。大部分金属具有较高的熔点，在室温下呈固态。但在元素周期表中，还存在着一类特殊的金属，它们的熔点比较低，如铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）、汞（Hg）和镓（Ga），这类熔点在室温附近的金属或合金材料被称为室温液态金属。”中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员李润伟对科技日报记者解释，铷、铯、钫的放射性和高化学活泼性以及汞的易挥发性和高毒性，限制了它们在实际生活中的应用。镓基/铋基/铟基/锡基金属及其合金等，是目前研究和应用最为普遍的液态金属材料。

李润伟表示，液态金属在室温下既展现出像水一样的可变形、可重构的流体特性，同时又表现出高导电、导热性能的金属特性，是一类物理化学性质十分新奇的新型功能材料，在基础科学研究和前沿技术开发中都拥有极为丰富的探索空间。他进一步解释，以镓为例，其具有极宽液相区（熔点29.76℃、沸点2403℃）、极低饱和蒸气压、无毒以及较好生物相容性等特点。

此外液态金属有巨大的表面张力，例如镓基液态金属的表面张力约为水的10倍，巨大的表面张力使液态金属倾向于缩成球形液滴。镓基液态金属的另外一个重要属性是极易氧化并形成纳米级氧化物表皮，表面氧化层“皮肤”一旦形成，其表面张力会大幅降低，而氧化层一旦被去掉，高表面张力又会立刻恢复。通过电或化学的手段，调节液滴表面张力，可以实现液滴大尺度变形、定向运动、渗透等。此外氧化层“皮肤”赋予镓基液态金属流体性质的同时，还赋予其一定的机械性能，并使其润湿和黏附行为发生改变，为实现液态金属电子器件的图案化创造了条件。

液态金属基自振荡异质薄膜材料，可用于湿环境能量收集

随着电子设备的小型化和柔性可穿戴设备集成化发展，从周围环境中收集能量，为低功耗的可穿戴电子产品供能这一研究备受关注。湖泊和海面的自然蒸发、植物蒸腾和呼吸作用以及湿气在大气环境中无处不在。近年来，科研人员剖析了从环境湿气中收集电能的纳米材料（如碳纳米材料、生物质纳米材料以及金属氧化物等），为柔性可穿戴电子设备提供持续能源。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所绿色反应分离与过程强化技术中心研究员李朝旭带领的高端材料制造组群研究组，针对二维材料MXene和液态金属（LM）微纳米液滴相容性差的问题，提出了以天然多糖（海藻酸钠）作为表面活性剂，剖析了LM和MXene之间的界面作用机制，解决了两者相容性问题，并构筑了MXene/LM微纳米液滴的包覆结构，实现了溶剂蒸发诱导LM微纳米液滴烧结。

研究发现，海藻酸盐分散的LM纳米液滴与MXene的混合水分散液，在蒸发中产生的毛细作用可促使重力沉降于底层的LM纳米液滴融合烧结，进而构筑MXene/LM异质膜。进一步，研究发现，该薄膜在湿度梯度下具有自发的持续制动能力（驱动速度为260 °s-1，自振荡时间大于3×104s）。

该研究揭示了薄膜两侧吸湿体积变化差异是在湿度梯度下自持续致动的内在机理。当科研人员将薄膜放置于强度为0.5T的永磁体磁场中时，薄膜自振荡机械能在外回路中产生高达1360μA m-2的交变电流。该研究通过调控界面复合机制，构筑的高导电自振荡致动器在湿环境中收集能量并给微型电子器件供能，可用于湿环境下的能量转化与收集。

该技术克服了湿气发电过程难以持续的问题，利于推动自持续震荡薄膜等智能材料的发展，有望推动生物高分子作为能量收集材料的研究与发展。

该研究获得国家自然科学基金、山东“泰山学者计划”、山东省自然科学基金、中国科学院青促会、中国科学院青岛生物能源/山东能源研究院科研创新基金等项目和计划的经费支持。

文章来源： 青岛生物能源与过程研究所，《先进功能材料》，3D科学谷