液态金属的应用

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　　【摘 要】液态金属作为一种新型材料，它的出现引起了各国广泛的兴趣，经过长时间的研究，已经初步将它应用到了诸多领域，本文将简单介绍它在电池领域、电力设备领域、生物医疗领域和计算领域的应用。
　　【关键词】液态金属;应用
　　中图分类号： G633.98 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0129-003
　　0 引言
　　一般而言，金属都是以固态的形式出现在人们的视野中，也是以固态的形式被应用到各个领域中，但是也有一些特殊的金属被人类所发现并被加以利用，最典型的就是以汞为代表的液态金属。
　　液态金属，指的是一种不定型的金属，可以把它看做正离子流体和自由电子气組成的混合物。液态金属具有极为优越的性能。在精度方面，液态金属成型的产品可以和机器加工产品的工艺一争高下，并且没有附加成本与废弃材料。在抗腐蚀性能方面，液态金属合金也展现出了超常的能力，尤其在工业应用中能发挥更大的作用，如食品加工、医疗设备、户外运动设备、航海产品等方面。对于其他金属而言，如果不做抛光、研磨等二次加工，是无法达到这种精度的，而在许多领域，金属的反光性能是极为重要的，液态金属合金的光洁度就能够达到高光反射的效果，而且还能进行抛光，还不必牺牲其他的性能。此外，液态金属合金属于无磁性材料，而且与其他磁性物体接触也不会沾染任何磁性。因此可应用于核磁共振设备的组件，电磁开关的外壳，或是高射频功率领域。因此液态金属不仅具备优质功能，还能以注塑方式成型，使得设计者有了更大的发挥空间。此外，其一次性净成型的特质也在很大程度上节省了加工成本，最大限度地提升了效率。液态金属拥有的众多优势，使其拥有极为广阔的应用空间，在电池、电力设备、生物医疗和计算等领域都能够发挥极大的作用。
　　1 液态金属电池的应用
　　1.1 液态金属电池的原理
　　液态金属电池由两个液态金属电极和熔融盐电解质组成，正极材料通常是锡一类的过渡金属单质或合金，负极材料通常采用的是碱金属或碱土金属的单质或合金。电池放电时，负极金属材料失去的电子对外电路做功，而失去电子产生的阳离子则经过熔融盐移动到电池正极附近，发生还原反应，并与正极金属形成新的合金。当电池充电时，上述过程逆向进行。
　　1.2 液态金属电池的性能特点
　　与传统的蓄能电池电池相比，液态金属电池具有以下优点：（1）制备工艺简单;（2）原料储备丰富;（3）可大电流充放电;（4）使用寿命长。所有的这些优点都是液态金属特有的，这使其在储能方面得到广泛的运用。
　　没有任何一件事物的完美的，就连如此完美的液态金属也有自己的不足之处：（1）工作温度较高;（2）平衡电压比较低;（3）理论能量密度较低;（4）不可移动。[1]
　　1.3 液态金属电池的研究现状及应用前景
　　2006年，MIT重新启动了液态金属的研究，首先研究了自放电速率高的Na-Bi体系，转而研究了Ca-Bi[2-3]、Mg-Sb[4]、Li-Pb-Sb[5]、Li-Bi[6]等体系，其中Li-Pb-Sb体系显示出优异的库伦效率和较低的实验成本。经过实验研究，并结合各种因素的影响，发现Mg-Sb电池不具有商业价值，只能当做实验设备用。而Li-Bi体系电池的稳定性优良，其应用范围将会很广泛。[7]
　　尽管液态电池具有优异的性能，但如果将它大规模用于生活中还将面对很大的挑战，液态金属较高的温度工作范围和负极活性金属容易腐蚀电池会大幅度降低电池的使用价值，从研究结果来看[7]，Na基电池存在高的自放电速率;Ca基电池负极钙的熔点高;Mg基电池放电电压较低;K基、Ba基成分的成木较高，这些电池都存在各种各样的挑战，暂时还不能用于液态电池。
　　2 液态金属在电力设备中的应用
　　2.1 现阶段电力设备所面临的问题
　　现在电力设备迅速发展到了没个领域，大功率电力设备的热管理也就成了需要解决的关键问题之一。当前主要的散热技术则是水冷，但在温度过高的环境中，水冷也遇到了阻碍。一方面，水的导热系数低，单位体积在单位时间内带走的热量有可能还比不上设备单位时间的产热量;另一方面，水的沸点太低，高热流时容易发生沸腾相变，影响系统的稳定性。[8-9]因此，现在的市场急需一种新的散热技术的出现，而液态金属虽然作为近些年高端的散热，但从未当做电力设备的冷却介质使用过。
　　2.2 液态金属做冷却介质的研究历程
　　A.Miner[10]等进行了对液态金属冷却高功率密度芯片这种新型芯片的研究，研究的结果表明：液态金属可达到lOW/（cm2·K）的对流换热效率，这完全能够解决热流密度大于100W/cm2的散热难题，这个结果不得不让人为之振奋。基于前者的研究结果，U .Ghoshal[11]等开展了对液态金属散热系统的研究，其实验中功率密度突破了常规，达到了200W/cm2，对流换热系数最高可到20W/（cm2·K） 。中国电力科学研究院储能与电工新技术研究所的李振明[12]教授与他的团队进行了液态金属和水的对流换热系数和导热率对比实验，该实验表明，在同种条件下，冷却介质如果从水换成液态金属，系统热阻可减少0. 014K/W;如果再次将界面材料换成液态金属，则散热系统热阻最大可再降低0.005K/W。
　　2.3 液态金属做冷却介质的特点
　　与水冷相比，液态金属散热技术具有天然的优势[13-15]：（1）液态金属导热率远高于水，散热性能也更好;（2）液态金属可采用电磁泵驱动，且不需要运动部件，耗能低，污染小;（3）液态金属沸点高，表面张力大，相较于水不易出现沸腾、泄露和蒸发问题，更加安全稳定。但是，如果要将液态金属完全应用到电力领域当中，不仅要考虑液态金属的的热物理性能，还要考虑它的安全性、导电性和腐蚀性。若应用在有绝缘要求的对象上，在使用前必须进行有效绝缘或隔离的专门化设计;对于既需导电又需冷却的应用对象，液态金属非常契合。液态金属未来可在高热流密度电力设备冷却技术中推广应用。 　　3 液态金属在生物医疗等领域的应用
　　3.1 在生物领域的应用
　　在液态金属研究上，我国目前已处于领跑者地位。来自联合小组的汤剑波[16]等还发现液态金属具有“细胞行为”，所谓的“胞吞行为”，就是液态金属液滴在室温环境下，分别通过化学物质触发、阴极极化触发、辅助金属物触发的机制，在盐酸溶液、氯化钠溶液和氢氧化钠溶液中迅速吞噬其液滴表面的铜颗粒，并在也低表面留下气泡。这一现象与细胞行为中的胞吞相当类似，细胞通过胞吞摄取周围的大分子物质。与此类似，液态金属液滴通过“胞吞”吞噬其液滴表面的铜颗粒，并向外界释放出气体，这完全可以看做是液态金属液滴与外界环境进行物质能量交换的一种方式[17]。
　　几千年来，人类一直尝试着去理解生命，但直到现在都没有一个能让世界公认的定义。虽然生命这种东西很难给它一个准确的定义，但是一个完整的生命通常包括以下几个特征[18]：一是存在非平衡耗散系统，能以转化与环境之间的能量的方式来保持低熵状态;二是由与外部环境存在热力学不平衡的有界隔室组成，并能够以自我复制的方式进行遗传信息的传递;三是有自主性和自我维护机制;四是能进行新陈代谢，并能及时的应对外界的刺激。液态金属的这种“类生物行为”的发现，将会让人类对生命有一个更好的理解。
　　3.2 在医疗领域的应用
　　在解决一些医学上的难题时，液态金属也有大展拳脚的空间。人体遍布着神经网络，神经一但受损或者断裂，其再生过程尤为缓慢，有的甚至需要好几年。但在其再生过程中，受损的神经相应的肌肉由于长时间接受不到神经传递的信号，肌肉功能将会萎缩或减退，甚至还会造成不可逆的功能丧失。因此，神经一但受损，最好的方式就是尽快的修复，避免出现肌肉功能的丧失。就当前的医学技術而言，大多数都是采用的自体神经移植的方法来进行治疗的，但由于各种因素的影响，神经修复替代材料的选择一直困扰着临床医学界。但是液态金属的问世与应用，逐渐让医学家们看到了希望。有实验表明：若能将处于恢复期的肌肉神经信息持续地向目标传送，可大为提升神经的修复速度并促使其恢复原有功能。因此，科学家们尝试着将一些在生物体温度环境中为液态的金属植入生物体中，并将其作为神经信号传递的通路，令其与未损坏的神经组织在信号传导上具有高度的一致性。液态金属被植入生物体后，不仅能降低肌肉功能丧失的风险，提高神经再生速度，更可迅速搭建起已断裂的神经之间的信号通路与再生空间。此外，液态金属本身就是一种金属，在X射线下具有极强的显影性。等到神经修复工作完成后，临床专家可在X射线的照射下，用注射器将液态金属从生物体中取出，从而避免了二次手术可能对生物体造成的额外伤害[19]。
　　4 液态金属在计算领域的应用
　　4.1 在普通计算机中的应用
　　在计算领域，人们一直在追求者速度与准确性。在液态金属诸多神奇应用中，在计算领域的应用更能引起科学家的注意。与一般的导电解质不同，液态金属在不同的环境下拥有不同的导电性，这一变化虽然看起来没多大用处，但对于革新计算可能有重大价值。液态金属的这种性质，可以使它成为计算的核心逻辑单元，从而有了创造新型计算机的可行性。
　　如果把液态金属应用在计算领域中，不仅能计算机的运算速度，还有可能会开启计算机的新时代。传统计算机只能按照指令依次执行每个程序，前面的程序如果出现的问题，后面的程序就没办法完成，而液态金属计算机不同，它能同事执行多个指令，达到多程序同时完成的效果，运算速率也就大幅度提升了。液态金属还具备不定型性，能够制作柔性的液体电子单元甚至连半导体单元也有可能，若果能实现，这将会改变现在电脑体积大，难以携带的现状。此外，液态金属产热量小，散热性能好，这使得计算机的寿命得以延长。
　　4.2 在量子计算机中的应用
　　量子计算机的研究一直是普遍的关注点。量子计算机实现逻辑运算的方法是量子叠加和量子纠缠，这是和传统计算机最大的不同之处。这种运算模式使得量子计算机算法的上限和潜力远远都高于传统算法。但是，中科院的研究员刘静认为，在主要运算元件和实现物理算法的方法上，当代的量子计算机和传统计算机相比没有什么领先的地方，都是固态元件构成的。比如，量子计算机的一种核心逻辑单元——超导隧道效应器件，它一般由中间层和两侧共同组成，中间层是一块绝缘的薄层，两侧是导电介质电极。由于这些结构是固体，外形无法改变，如果制造出来，大多数情况下只能按它特定结构去实现对应的功能，其运算能力和应用相应地也会受到限制。因此，他的团队提出了一种新的全液态量子器件的制备方法。由于液态金属具有可变形性、表面易于达到完美光滑度等特性，他们通过操控力场、电场、磁场等多种物理场来改变全液态量子器件中间液层的厚度，最终使得液膜间隙极其小甚至说没有间隙，这不仅满足了运行量子计算机的尺寸要求，更使整个计算系统具备了高度的灵活性、智能性和可控性[20]。使得量子计算机的发展前进里一大步。
　　5 结论
　　液态金属作为一种新型的功能材料，已经展现出了它对当代科技进步所具有的重要意义，有望在电池、电力设备、生物医疗和计算等领域带来颠覆性的改变，并衍生出更多有利于人类的发明。
　　但是，液态金属的一些深入的物理机理还尚未明确，其在各个领域的应用还存在许多尚未解决的关键性问题。比如，当前发现的液态金属的运动特性，还只能说理论上能用来制造机器人，要将其应用于实际，甚至说造出像电影里的终结者一样的机器人，都还需要做更多的实验，又如，液态金属想要真正的被当做修复神经的材料，还需要考虑各种各样的因素，做更多的研究，探索它的作用机制以及在人体长时间停留是否安全。液态金属广泛的应用前景还有待我们去探索和发现。
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