液态金属物质科学基础现象与效应(液态金属物质科学与技术研究丛书)_刘静_9787547842072

液态金属通常是指在室温或更高一些温度下呈液态的单质、合金或其衍生金属材料。近年来的大量科学发现掀开了液态金属物质科学的神秘面纱，其一系列令人匪夷所思的新奇特性，促成了众多前沿学科的形成和发展，有关成果被认为是人类利用金属的第二次革命。为推动这一领域的发展，本书总结了液态金属近年来的一些典型发现和基础效应，并剖析了若干可供探索的途径和新方向。全书注重阐述液态金属较为基础的物质属性、科学现象、奇异效应及相关应用，可供物理、化学、生物、医学、电子、机械、器件、材料乃至设计等方面的研究人员、工程师以及大专院校有关专业师生、研究生以及广大读者阅读参考。

液态金属是种类众多的单质、合金或其衍生金属材料，在常温下呈液态，具有沸点高、导电性强、热导率高等特点，制造过程无需高温冶炼，环保无毒。以往，由于此类材料的科学与应用价值未被充分认识到，致使相应研究在国际上长期处于沉寂。近年来的大量突破性发现深刻表明，作为珍宝般的新兴物质科学，液态金属蕴藏着诸多令人匪夷所思的新奇特性，打开了无比广阔的应用领域。也正因如此，液态金属有关成果被认为是人类利用金属的第二次革命。

在当前国际上业已变得相当热门的液态金属诸多科学研究与技术探索上，中国可以说幸运地成为了先行者和开拓者。早在2000年伊始，笔者以中国科学院百人计划学者的身份在中国科学院理化技术研究所工作期间，在写作一本有着浓厚芯片散热背景的学术著作《微米/纳米尺度传热学》时，脑海中就不时闪现出采用液态金属冷却高热流密度芯片的设想，这实际上促成了以后的一系列基础和应用探索的展开。经过十多年持续不断的工作，笔者在中国科学院理化技术研究所带领的研究小组，包括后来在清华大学创建的实验室，有幸于世界上率先发现了液态金属一系列全新的科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了多个当前业已变得相当重要的领域，在此基础上笔者团队提出了创建液态金属谷以及发展全新工业的构想，并将其付诸实践。然而，作为在液态金属黑夜中摸索过来的科技工作者，笔者和团队的一个深切体会是，液态金属物质科学在漫长的发展过程中可以说基本上无人问津，更不用说有喝彩了，原因主要还在于世人长期以来对其知之甚少。不过，令人欣慰的是，这种状况正随着研究的逐步拓展得以大大改观。近年来，我们欣喜地看到，世界范围内众多团队纷纷介入液态金属的研究和应用，成果迭出。毋庸置疑的是，液态金属已从最初的冷门发展成全球热点，正迅速崛起为引领物质科学发展的革命性领域之一，亟待人们去探究。

读者要问，液态金属为何能引发如此广泛热烈的兴趣呢？实际上，仅从材料的属性而言就不难看出，液态金属可以说以一种物质形式将诸多尖端功能材料的优势集于一体，其性能易于按照人们的需要而灵活展现。像这样可以在常温下于液相、固相之间随意切换，具有高导电性、导热性甚至半导体特性的材料，在传统的材料体系中是十分罕见的。而且，满足这些特性的潜在液态金属或其衍生材料的种类成千上万，并处于快速增长中。因此，液态金属已渗透到几乎所有的自然科学和工程技术领域甚至文化创意行业，影响范围甚广，正为能源、电子信息、先进制造、国防军事、柔性智能机器人，以及生物医疗健康等领域的发展带来颠覆性变革，已催生出一系列战略性新兴产业，将有助于推动国家尖端科技水平的提高、全新工业体系的形成和发展，乃至人类物质文明的进步。一类材料，一个时代，液态金属时代实际上已朝着人类走来。

当前，世界科技正处于革命性变革之中，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引领技术变革的科技航母。作为一大类物理化学行为十分独特的新兴功能物质，液态金属正为大量科学与技术探索带来前所未有的观念性启示，可望为有关科技领域的变革性发展乃至开辟全新工业创造巨大机遇，社会价值和科学意义十分深远。

显然，在液态金属几乎所有的研究和应用中，对其基本属性的认识无疑是最为根本的环节。然而，遗憾的是，学术界迄今在此领域的论述存在大量空白，制约了进一步研究与应用的深入。本书正是在这样的背景下总结汇编而成。当然，由于液态金属涉及领域众多，要在一本书中全面系统介绍其内容是不可能的，因此许多基础现象和效应的内在机理在此并不过多触及，留待专题著作集中阐述。

本书是笔者带领的中国科学院理化技术研究所、清华大学联合团队的集体贡献，部分发现来自云南中国液态金属谷科研机构的工作。实验室师生们都曾记得，在液态金属研究远未像今天如此热门的早些年，笔者曾多次在内部会议上强调，对尚处于早期阶段的液态金属科学，实验室应努力争取于未来发现至少5个重要的基础现象和科学效应。幸运的是，这一愿望很快得以实现，有关发现在国际上引发一系列重大反响。也因如此，笔者自己变得有些得寸进尺，继而提出实验室新的努力愿景，直接将最初定下的目标扩展成发现50个以上基础现象和效应。笔者内心深处的愿望是，希望团队能够不断开拓创新，去发现各种可能的秘密。原因很简单，探索液态金属实在是件美妙之事，而这一领域确实盛开着无数绚丽的科学之花。对于如此丰富多彩的液态金属物质世界，有着无尽的科学前沿，值得人类永无止境地去追求。

鉴于液态金属物质科学研究显而易见的意义，笔者深感有必要将这一领域的基本效应、现象和基础知识及时传达给世人，以期有效引导和集合各方力量，来共同促成科学进步，从而更好地服务于社会，这也是出版本书的初衷。本书不求穷尽液态金属全貌，主要汇集了其中的一些典型现象与效应，以及部分由此引发的重要应用问题。限于时间和精力，本书主要以笔者实验室近十六七年来的研究成果为代表对液态金属予以解读，也包括国内外同行的部分典型工作，旨在能为读者提供基本素材，以助其快速了解液态金属领域概况，从而为今后工作的开展打下基础。

本书的整理、写作开始于2016年夏，初步材料完成后却搁置多时。这期间，由于实验室研究工作开展的如火如荼，笔者大多时候只能边完成手头工作，边组织实验室讨论，同时断断续续对本书加以修订、撰写和补充。本书得以最终出版，真是要感谢上海科学技术出版社包惠芳老师的敦促和鼓励，使得笔者终于下定决心将本书及时呈现出来。

在本书持续近两年的整理、写作过程中，可以说，笔者实验室几乎全体师生均投入相应内容的讨论、整理和撰写，不完全列举如下：王倩、盛磊、饶伟、何志祝、桂林、高猛、邓中山等；博士后：梁书婷、汤剑波、王磊（大）、马荣超、王磊（小）、于永泽、衣丽婷、路金蓉、胡靓、崔云涛、刘福军、杨利香等；博士生：杨小虎、袁彬、谭思聪、丁玉杰、赵曦、徐硕、张伦嘉、叶子、周旭艳、王荣航、陈森、汪鸿章、王雪林、国瑞、袁博、田露、王荣航、孙旭阳、郭藏燃等；硕士生：张仁昌、王康、梅生福、桂晗、赵正男等。本书部分研究得到中国科学院院长基金、中国科学院前沿计划及国家自然科学重点基金资助（No.91748206）。在此谨一并致谢！

限于时间，加之作者水平有限，本书不足和挂一漏万之处，恳请读者批评指正。

刘静2018年6月

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