理化所发表镓基液态金属氧化调控通用策略评述文章

理化所发表镓基液态金属氧化调控通用策略评述文章

2022-01-04

理化技术研究所

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语音播报

近期，中国科学院理化技术研究所液态金属与低温生物医学研究中心科研人员在Accounts of Materials Research上，发表了题为Precise Regulation of Ga-Based Liquid Metal Oxidation的评述文章，总结了课题组近年来利用氧化调控策略精确控制镓基液态金属的结构、形貌及其物理化学特性的研究进展，并被选为期刊Supplementary封面故事（图1）。

近年来，镓作为代表性室温液态金属（熔点约为29.8°C），已成为构建镓基液态金属的基础材料之一。此类新兴材料具有独特的物理化学性质，如优异的导热导电性、流动性、生物相容性（蒸气压低，毒性可忽略不计）、生物降解性、催化性能、等离子体效应，并且易于功能化，显示出应用潜力。通常，在氧气和水的作用下，镓基液态金属-周围环境界面形成的超薄氧化物层，作为天然屏障避免了进一步氧化。电、化学、电化学、机械、超声波等刺激的引入，以及包括成分、温度和时间等反应条件的改变将促进氧化物的形成。然而，氧化物的存在是一把双刃剑（图2），有可能因为性能和稳定性的恶化而被认为是一种滋扰。例如，在流体应用（如传热介质、泵介质和微流控）中，氧化物易于粘附于系统内影响流动传热传质等过程。而在某些情况下，氧化物是实现LM功能化所必需的，如颗粒形变、基底粘附、胞内摄取等。因此，探究LM氧化的形成和性质十分必要，有助于深入理解其对镓基液态金属材料组成、结构和性质的影响。LM氧化精准调控的主要目的是有效改变液态金属材料的基础物理化学性质，赋予特性（包括独特的界面特征，表面张力、润湿性、机械强度、催化、吸附等特征)，从而满足特定应用需求。

镓基液态金属材料已获得发展并显示出潜力，但其氧化调控仍处于起步阶段。基于此，课题组对镓基液态金属的氧化调控策略进行总结。论文回顾了镓基液态金属氧化物的形成过程，基本特性及其对材料的性能影响；根据典型的镓基液态金属材料将视野扩展到宏观（图3）、中观（图4）和微纳米尺度（图5）的氧化精确调控；介绍了近年来课题组在该领域贡献的代表性应用研究（图6）；展望了液态金属氧化调控策略面临的挑战和未来的发展前景。

论文链接

图1.封面故事：利用氧化调控策略精确控制镓基液态金属材料的结构、形貌及其物理化学特性

图2.镓基液态金属氧化物的精确调控不仅阐明了液态金属和其氧化物之间自然的平衡性，而且揭示了材料设计和合成的可协调性

图3.宏观：LM-氧化物复合材料的氧化调控机制

图4.介观：LM-氧化物薄膜的氧化调控机制

图5.微观：LM-氧化物微纳米颗粒氧化调节的主要影响因素

图6.多尺度LM-氧化物复合物的开发与应用

近期，中国科学院理化技术研究所液态金属与低温生物医学研究中心科研人员在Accounts of Materials Research上，发表了题为Precise Regulation of Ga-Based Liquid Metal Oxidation的评述文章，总结了课题组近年来利用氧化调控策略精确控制镓基液态金属的结构、形貌及其物理化学特性的研究进展，并被选为期刊Supplementary封面故事（图1）。 近年来，镓作为代表性室温液态金属（熔点约为29.8°C），已成为构建镓基液态金属的基础材料之一。此类新兴材料具有独特的物理化学性质，如优异的导热导电性、流动性、生物相容性（蒸气压低，毒性可忽略不计）、生物降解性、催化性能、等离子体效应，并且易于功能化，显示出应用潜力。通常，在氧气和水的作用下，镓基液态金属-周围环境界面形成的超薄氧化物层，作为天然屏障避免了进一步氧化。电、化学、电化学、机械、超声波等刺激的引入，以及包括成分、温度和时间等反应条件的改变将促进氧化物的形成。然而，氧化物的存在是一把双刃剑（图2），有可能因为性能和稳定性的恶化而被认为是一种滋扰。例如，在流体应用（如传热介质、泵介质和微流控）中，氧化物易于粘附于系统内影响流动传热传质等过程。而在某些情况下，氧化物是实现LM功能化所必需的，如颗粒形变、基底粘附、胞内摄取等。因此，探究LM氧化的形成和性质十分必要，有助于深入理解其对镓基液态金属材料组成、结构和性质的影响。LM氧化精准调控的主要目的是有效改变液态金属材料的基础物理化学性质，赋予特性（包括独特的界面特征，表面张力、润湿性、机械强度、催化、吸附等特征)，从而满足特定应用需求。 镓基液态金属材料已获得发展并显示出潜力，但其氧化调控仍处于起步阶段。基于此，课题组对镓基液态金属的氧化调控策略进行总结。论文回顾了镓基液态金属氧化物的形成过程，基本特性及其对材料的性能影响；根据典型的镓基液态金属材料将视野扩展到宏观（图3）、中观（图4）和微纳米尺度（图5）的氧化精确调控；介绍了近年来课题组在该领域贡献的代表性应用研究（图6）；展望了液态金属氧化调控策略面临的挑战和未来的发展前景。 论文链接 图1.封面故事：利用氧化调控策略精确控制镓基液态金属材料的结构、形貌及其物理化学特性 图2.镓基液态金属氧化物的精确调控不仅阐明了液态金属和其氧化物之间自然的平衡性，而且揭示了材料设计和合成的可协调性 图3.宏观：LM-氧化物复合材料的氧化调控机制 图4.介观：LM-氧化物薄膜的氧化调控机制 图5.微观：LM-氧化物微纳米颗粒氧化调节的主要影响因素 图6.多尺度LM-氧化物复合物的开发与应用

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责任编辑：阎芳

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