中科院理化所饒偉團隊AMR：液態金屬氧化物的精準調控

近日，中國科學院理化技術研究所饒偉研究員團隊的述評文章“Precise Regulation of Ga-Based Liquid Metal Oxidation”?在Accounts of Materials Research?(AMR)期刊在線發表，總結了課題組近年來利用氧化調控策略精確控制鎵基液態金屬的結構、形貌及其物理化學特性的研究進展。

文章內容簡介

室溫液態金屬(LM)定義為熔點低于或接近室溫的金屬或合金，在熔融狀態下由正離子流體和自由電子氣組成的混合物，可視為是一種非晶的無定形固體，表現出與其他固體金屬和液體本質不同的流動性和金屬性。近些年，鎵作為代表性室溫液態金屬（熔點約為29.8°C），在能源熱控、增材制造、柔性機器及生物醫學等領域發揮了越來越重要的作用。這類新興材料具有獨特的物理化學性質，如優異的導熱導電性、流動性、生物相容性、生物降解性、催化性能、等離子體效應，并且易于功能化，其多能性顯示出巨大的應用潛力。通常，在氧氣和水的作用下，鎵基液態金屬-周圍環境界面形成的超薄氧化物層，作為天然屏障避免了液態金屬的進一步氧化。電、化學、電化學、機械、超聲波等刺激的引入，以及包括成分、溫度和時間等反應條件的改變將促進氧化物的形成或去除。然而，氧化物的存在是一把雙刃劍。在某些情況下，氧化物是實現液態金屬功能化所必需的，例如顆粒形變、基底粘附、胞內攝取等。而有時會因為性能和穩定性的惡化而被認為是一種滋擾，例如，在流體應用（如傳熱介質、泵介質和微流控）中，氧化物易于粘附于系統內影響流動傳熱傳質等過程。因此，探究液態金屬氧化的形成和性質十分必要，將有助于深入理解其對鎵基液態金屬材料組成、結構和性質的影響。室溫液態金屬氧化精準調控的主要目的是有效改變液態金屬材料的基礎物理化學性質，甚至賦予獨特而迷人的特性(包括獨特的界面特征，表面張力、潤濕性、機械強度、催化、吸附等特征)，從而滿足特定的應用需求。

盡管科學技術進步已經顯示出鎵基液態金屬材料的巨大進步和潛力，但它們的氧化調控仍處于起步階段，值得進一步關注。在這篇Account中，我們對鎵基液態金屬的氧化調控策略進行了相對詳盡的總結，介紹了近年來本團隊在該領域貢獻的代表性工作。首先，回顧了鎵基液態金屬氧化物的形成過程，基本特性及其對材料的性能影響。然后，根據典型的鎵基液態金屬材料將視野擴展到宏觀、中觀和微納米尺度的氧化精確調控。最后展望了液態金屬氧化調控策略目前面臨的挑戰和未來的發展前景。我們相信這篇Account將吸引更多的科學家聚焦鎵基液態金屬材料領域，挖掘其潛在應用。

TOC:鎵基液態金屬氧化物的精確調控不僅闡明了液態金屬和其氧化物之間自然的平衡性，而且揭示了材料設計和合成的可協調性。

本文要點

文中依據不同尺度，將鎵基液態金屬(LM)材料分為LM-氧化物復合材料、LM-氧化物薄膜，和LM-氧化物微納米顆粒，結合本團隊的代表性研究，系統介紹了從宏觀、介觀到微納米水平精確控制氧化物形成以制備具有鮮明結構、形貌和特性的鎵基液態金屬材料的調控策略（圖1）。

圖1.示意圖：從產品、方法和目的角度對LM氧化物進行調控。(a)LM-氧化物復合材料。(b)LM-氧化物薄膜。(c)LM-氧化物微納米顆粒。

01?LM-氧化物復合材料

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圖2.合成LM-氧化物復合材料的氧化調控機制。(a)通過表面氧化物還原達到金屬間潤濕效果，相應機制(i-iv)；(b)通過在空氣中攪拌使LM部分氧化以獲得與其他材料間更好的的潤濕性，相應機制(i-iv)；(c)通過調節反應條件增強氧化產生多孔輕質LM-氧化物復合材料，相應機制(i-iv)；(d)LM-氧化物復合材料的代表性形貌。

02?LM氧化物薄膜

圖3.LM-氧化物薄膜的氧化調控機制。(a)電解氧化調節LM表面形貌，及相應的著色機制(i-iii)。(b)陽極氧化調節LM氧化膜厚度，及相應的彩虹色機制(i)。(c)合金成分調節LM的氧化，H₂的產生機制(i-ii)。

03?LM-氧化物微納米顆粒

圖4.LM-氧化物微納米顆粒氧化調節的主要影響因素。(a)合成方法和條件。(b)溶劑。(c)溫度。(d)表面或內部修飾。

液態金屬氧化調控領域可能會出現的研究挑戰和機會

目前，大多數關于鎵基液態金屬的研究都集中在整體性能上，而忽略了材料組成中微小但必不可少的氧化物所帶來的影響，關于其氧化物的文獻非常有限。第一個挑戰是表征技術，而困難主要來自不同液態金屬內結構和組成的復雜性，特別是對于微/納米尺度、多組分和非平衡系統。另一個挑戰是影響因素的多樣性和復雜性，這為實現更精確、可控的氧化調控帶來了困難。無論如何，我們相信鎵基液態金屬氧化過程的基本理解和合理調控策略之間的配合將激發新的研究靈感，挖掘更多潛在的應用。

掃碼閱讀饒偉研究員團隊的精彩Account文章：

Precise Regulation of Ga-Based Liquid Metal Oxidation

Dawei Wang, Xiaohong Wang, and Wei Rao*

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00173

作者團隊簡介

饒偉，中國科學院理化技術研究所研究員，博士生導師。長期從事液態金屬、低溫生物醫學與微納米技術等方面交叉科學問題研究。主持國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京市科委重大專項、軍委科技委項目等十多項。目前擔任中國科學院低溫工程學重點實驗室副主任，北京市制冷學會理事。

汪達偉，中國科學院理化技術研究所博士研究生，主要研究方向是液態金屬微納米生物材料。

汪曉紅，中國科學院理化技術研究所博士研究生，主要研究方向為低溫生物冷凍保存、液態金屬材料。