液態金屬鎵：“柔”性材料的“硬”核 科技

提到液態金屬，同學們通常會聯想到科幻電影《終結者2》里不茍言笑的機器人殺手T-1000。他能聚能散，能屈能伸：上一秒是一攤鐵水，下一秒就變成冷酷猛男。他能隱形，攔不住、甩不掉，“液態金屬”似乎和陰魂不散畫上了等號。

從形態上看，這液態金屬就像幾十年前人們常用的體溫計里裝的汞，也就是我們常說的水銀。如今，隨著人們對汞的危害了解增多，以汞為原料的體溫計逐漸退出了家庭。如果你現在還想買液體體溫計，也許能遇上我們本期的主角——鎵（jiā）。

鎵是化學史上第一種先由理論預言，而后在自然界中被發現驗證的化學元素。1871年，編制了世界上第一張元素周期表的俄國化學家門捷列夫根據自己總結的元素周期規律，提出了一個預測：自然界中存在一種原子量大約是68、密度5.9g/cm3、性質與鋁相似的元素，它應被排列在元素周期表中鋁元素的下方。

門捷列夫的這一預測，在1875年被法國化學家布瓦博得朗證實。他在觀察從閃鋅礦礦石中提取的鋅的原子光譜時，發現了一條新的紫色色帶，他意識到，這條色帶對應著一種未知的新元素。布瓦博得朗提取并提純了這種新的金屬，并證明了它的性質確實與鋁相似。這種元素被布瓦博得朗以祖國法國的曾用名“高盧”命名，中文寫做“鎵”。

鎵在自然界中“隱藏”得很深，它熔點僅有29.78℃，沸點卻高達2403℃，因此多數時候都以液體的形態在各類物質中四處“游蕩”，很少獨立存在。鎵在鋁土礦、閃鋅礦、黃鐵礦等礦石中含量很少，只有化學家們在高溫灼燒礦石時，它才會以化合物的形式揮發出來，還要經過多種提純手段精煉，才能得到純粹的鎵。如果沒有門捷列夫的預言，也許鎵的真面目還不能那么快被揭開。

《終結者2》里神通廣大的機器人殺手能隨心所欲地變成任何形狀，甚至可以穿墻入室完成任務，被武器擊毀后也能自動愈合，簡直讓人束手無策。如果現實中人們也要造這樣一個機器人，那么鎵無疑是目前能找到的最適宜的材料。2014年9月，美國北卡羅來納州的一個科研團隊研發出一種可自我修復的變形液態金屬，人類離打造變形機器人的目標更近了一步。

科學家們使用鎵和銦形成一種固溶合金，它在室溫下就可以成為液態。這種液態合金的表面張力很高，在不受外力的情況下，能保持一個幾乎完美的球形。同時，它對電流很敏感，只要有少量電流通過，其表面張力就會降低，球形的金屬“水珠”迅速“融化”成一攤“水”;而如果取消電流，它又會慢慢聚成一個球。更改電壓大小，還可以調整它的表面張力和粘稠度，從而令其變為不同的結構。這樣的話，只需要改變電流，制造一個可變形的液態機器人就不再是幻想。

這種變形機器人還可以自主“進食”和運動。2015年，中國科學院和清華大學的聯合研究小組研發出世界首個自主運動的可變形液態金屬機器人：當鎵基液態合金被置于電解液中時，它可以鋁為“食物”，通過“攝入”鋁獲得能量，實現高速、高效的長時間運轉。實驗顯示，一小片鋁即可驅動直徑約5毫米的液態金屬球實現長達1個多小時的持續運動，速度高達每秒5厘米。

液態機器人看起來充滿了科技感，但就像電影中呈現的那樣，它很可能會失控給人類造成負擔，因此科學家們暫時還沒有制造液體機器人的想法。但是，用鎵制造的合金無疑給人類推開了一扇新世界的大門。

芯片是現代社會最重要的科技元件之一，我們每天玩的手機、用的電腦、看的電視、聽的音響，里面都有芯片。若沒有芯片，就沒有現代世界里輕巧又好用的高科技產品;而芯片的出現離不開半導體。半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，隨著溫度、電場方向等因素的變化，半導體的導電性會發生相應的變化。正是因為具有這樣的特性，半導體才能實現可控導電和通信等功能。

人們用以硅材料為代表的第一代半導體取代了笨重的電子管，制出了以芯片為代表的集成電路，推動了微電子工業的發展和整個IT產業的飛躍。然而，盡管硅擁有很多優越的電子特性，但經過幾十年的發展，這些特性已經快被用到極限，科學家已很難用硅再造出性能更優異的芯片，他們一直在尋找能替代的半導體材料，以制造未來的電子設備。這時候，化合物半導體進入了科學家的視野。

化合物半導體是指由兩種或兩種以上元素形成的、具有半導體性質的化合物。1928年，科學家用2000℃以上的高溫和近萬個大氣壓的苛刻條件，將金屬鎵和氮氣合成為一種新的化合物半導體材料——氮化鎵。當時他們沒有想到，在經歷了將近一個世紀不溫不火的狀態后，氮化鎵這種半導體材料煥發出了新的生機。

與硅、鍺等傳統半導體材料相比，氮化鎵擁有更大的帶寬、更高的漏極效率、更強的耐熱性、更高的擊穿電壓、更強的抗輻射能力和更強的壓電性。這些優勢使氮化鎵更適合制作大功率高頻的功率器件，實現器件體積更小、功率密度更大。

在電源設計過程中，通過氮化鎵技術，能夠將電源系統中的大部分功能和控制電路集成在一顆小芯片內，從而讓印制電路板上的電路更加精簡。得益于氮化鎵芯片的應用，我們現在使用的充電器實現了功率更高、充電速度更快、體積更小、散熱更優等優勢，成為一些廠商提升品牌價值的“競爭武器”。

氮化鎵芯片制成的電子器件，可在200℃以上的高溫下工作;氮化鎵芯片應用在電力電子器件中，可使系統能耗降低30%以上;氮化鎵芯片作為微波通信基站的核心材料，能使得基站傳輸覆蓋面積比目前提升1倍以上。

對中國來說，氮化鎵芯片更是突破國外芯片技術封鎖的絕佳武器。因為與落后兩三代的硅基芯片相比，氮化鎵芯片產業在世界范圍內都處于起步階段，在氮化鎵芯片技術上中國與發達國家可謂并駕齊驅。

未來，氮化鎵芯片將在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車和消費類電子等領域全面開花，鎵元素將從方方面面改變人們的生活。