液態金屬“立”起來！

如何將流動的液態金屬，像打發的奶油一樣“立”起來，進而應用于3D打印之中？

近日，廈門大學材料學院白華教授與胡曉蘭副教授團隊的研究取得重要進展。經過連續3年的刻苦鉆研，他們制備的一種新型液態金屬高內相乳液凝膠，可以被直接用于3D打印，同時首次實現通過施加電場來激活油墨導電性能，并最終實現了液態金屬在多種復雜場景中的3D打印，相關成果在線發表于《自然·通訊》。

當液態金屬遇上3D打印

液態金屬在常溫下呈現液態，可以隨意改變形狀，同時具有良好的導電性，是可穿戴和可植入生物設備以及軟機器人領域重要的材料。

3D打印是重要的材料加工技術，液態金屬與其結合可以給材料加工帶來更多的可能。但3D打印制造物件是自下而上的過程，這要求使用的材料需要有一定的固態，流動的液態金屬顯然無法做到。

如何讓二者結合起來，以實現“1+1＞2”的效果，是白華教授團隊要解決的難題。白華說：“我們一直在找一種方法，可以讓液態金屬保持我們希望的形狀，能像蓋高樓一樣，在三維空間‘豎’起來。”

白華教授團隊博士生林澤文想到，原本流動且具有黏性的蛋清，經過打發后會發泡并轉變為形狀相對穩定的蓬松泡沫，失去了原有的流動性。如果在液態金屬中加入某種材料將它變成介于液體和固體之間的乳液，在顆粒之間形成堆積，也就可以讓它保持自身的形狀，像奶油一樣“支棱”起來。

當幸運來敲門

這樣的關鍵材料到底是什么呢？從2021年起，林澤文一直在思索這個問題。

這種材料要讓液態金屬“發泡”，但是在打印之后又不能影響液態金屬本身的導電性，就像消失了一樣。林澤文在使用洗手凝膠時發現其在被使用后會消失，這啟發他嘗試將洗手凝膠與液態金屬相結合，看看會發生什么作用。

林澤文幸運地發現洗手凝膠中的關鍵成分——Carbopol分子與液態金屬是“天造地設的一對”，它和液態金屬表面可以發生相互作用，在被類似奶茶攪拌器的裝置高速攪拌后，它能使液態金屬形成微小的液滴堆積在一起，從而形成一種類似乳液的液態金屬墨水。將這種液態金屬墨水從打印機的噴嘴中擠出后，還能夠保持三維形狀，就好像奶油從裱花嘴中被擠出。

正如奶油打發需要一定的配料，液態金屬墨水的配制并不是簡單地把洗手凝膠與液態金屬直接混合，而需要去調配最理想的配比。凝膠與液態金屬要如何配比，需要進行多久的攪拌，在打印的過程中該用怎樣的氣壓、多大的針頭，這些數據都要進行一次次實驗才可以確定。林澤文說：“有了思路，就必須去做。做了可能會失敗，但是不做肯定不會成功。”

在后續實驗中，就像是幸運在敲門，林澤文驚喜地發現即使“洗手凝膠”是絕緣的，但是在通電情況下，依然可以讓液態金屬墨水保持高導電性。這一偶然的發現，讓林澤文驚喜萬分，當時“連飯都不想吃了，只想趕緊去實驗室做實驗”。

林澤文用自己的實驗與研究接住了這份幸運，在白華教授與胡曉蘭副教授的指導下，他作為第一作者，將有關液態金屬3D打印的相關研究成果在線發表于《自然·通訊》上。

分工不同的科研“同事”

“好的課題是做出來的，學生們最好的科研靈感來源就是他們自己。”白華教授與胡曉蘭副教授的團隊氛圍是寬松的，只要是在學術上、應用上有價值的課題，白華都會鼓勵同學們勇敢去嘗試，他覺得科學研究并不是學生在給老師“打工”，導師和學生其實是分工不同的科研“同事”，缺一不可。

白華會給學生們足夠多的空間去探索感興趣的課題，讓他們自主進行實驗與研究，以培養獨立解決問題和從事科研工作的能力，希望“學生們在科研中真正學到方法，感受到樂趣”。白華會在適當的時候給出指導，“導師是會在學生獨立探索遇到困難時施以援手的那個人。”

林澤文在液態金屬3D打印上所選擇的材料與混合方式，基本是由他自己實驗探索出來。而當林澤文被理論知識困住導致無法解釋原理時，白華便多次與他深入交流，并送給他一本與砂漿泵相關的書——《金屬礦膏體流變學》。“剛開始我很疑惑，砂漿泵與液態金屬有什么相關性呢？”在閱讀之后，林澤文發現砂漿泵在性質上其實可以類比液態金屬，他不得不感嘆白老師早已為自己指點了明路，只是在等著他親自去發現答案而已。

白華教授與胡曉蘭副教授的團隊主要研究高分子材料，他們主要使用有機材料去研究能源和傳感領域的一些問題，用有機材料去做能量的轉化、存儲和傳感工作。未來，白華教授與胡曉蘭副教授的團隊會繼續進行液態金屬3D打印方向的研究，圍繞此方向不斷深入挖掘，進行研究的延續工作，探究制品的可重復性和穩定性。同時，團隊將嘗試將液態金屬與其他工業材料結合，以推進其在實際產業中的應用。

責任編輯：丁莉莎