液态金属，通常指在室温附近或更高一些常温下呈液态的金属，也称低熔点金属，如镓基、铋基金属及其合金。这类材料因安全无毒、性能卓越独特，在常温下可流动，导电性强，热学特性优异，易于实现固液转换，且沸点高，在高达2000摄氏度时仍处于液相，不会像水那样沸腾乃至爆炸，将诸多尖端功能材料的优势集于一体，突破了许多领域传统技术的应用瓶颈，在军工国防领域尤具有重大战略价值。

  液态金属研究被誉为人类利用金属的第二次革命，Frontiers in Energy副主编刘静教授便是这场革命的“领军人”。作为清华大学教授和中国科学院理化技术研究所双聘研究员，他在液态金属领域做出了原始性、开创性的发现。

近日，Frontiers in Energy连续发布了两篇来自刘静课题组在液态金属方面的最新研究成果。

1. Xiao-Hu YANG, Jing LIU. Liquid metal enabled combinatorial heat transfer science: Toward unconventional extreme cooling. Frontiers in Energy, http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-017-0521-3

   本文提出了一种基于液态金属构筑超常规极端冷却技术的全新理念，并将其命名为“液态金属组合传热学”。

   近年来，随着电子工业的迅速发展，“热障”问题日益成为阻碍高端电子芯片和光电器件向更高性能发展的重大挑战，开发高性能的芯片冷却与热管理技术迫在眉睫。作为一类新兴的热管理材料，液态金属在对流冷却、热界面材料、相变热控等领域均带来了观念与技术上的巨大变革，打破了传统冷却技术的性能极限，为大量面临极端发热问题的器件和装备的冷却提供了全新解决方案，可望在国防、航空航天、能源系统以及民用电子设备等领域的冷却与热管理系统中发挥重要作用。然而，热管理技术应用场合千变万化，工作环境和要求纷繁复杂，为了从根本上促成更多先进冷却技术的建立，研究人员系统性地提出了“基于液态金属的复合传热学”的概念。

  液态金属复合散热技术的基本思想在于将散热系统模块化，每个模块均有各自的基本传热方式和特点。一般而言，一个常规的散热系统可以被抽象地划分为五个部分：热源、热量提取环节、热量传输环节、热量释放环节以及周围环境（如图1所示）。按照应用场合的不同，可以将不同模块有机地组合到一起，组成特定的散热系统，以最佳的性能满足特定的工作需求。液态金属先进冷却技术，包括高性能热界面材料、热展开器、对流冷却、双流体能量捕获与冷却、相变热控与储能等，可以在不同的模块中发挥不同的作用。通过将液态金属冷却技术与传统冷却技术有机结合，将其应用于最需要的传热模块当中，解决关键环节的传热瓶颈，可以构建出最佳的冷却策略，同时实现更好的冷却能力及性价比。

  “液态金属组合传热学”的提出，丰富了液态金属芯片冷却与热管理领域的科学与技术内涵，开辟了构筑超常规极端冷却技术的系统性途径，为发展新一代液态金属复合冷却技术提供了理论基础。

图1 冷却系统基本模块划分

2. Xu-Dong ZHANG, Yue SUN, Sen CHEN, Jing LIU. Unconventional hydrodynamics of hybrid fluid made of liquid metals and aqueous solution under applied fields. Frontiers in Energy, http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0545-3

  本文从实验现象、理论分析和数值模拟三个方面，对液态金属-水混合流的非传统流体力学特性进行了系统评述。文章指出，镓基液态金属在外场作用下的运动和变形是一种由于表面张力梯度而引起的界面流动；与传统的流体运动不同的是，液态金属在溶液中大尺度运动和变形具有非接触、化学驱动、多场耦合、边界复杂、大尺度变形和大密度差等特点。对液态金属-水混合流的流体力学特性进行定量描述并构建液态金属大尺度可逆变形与运动的基础理论，对于深刻认识液态金属变形机理和构建复杂的多功能液态金属柔性机器至关重要，同时对于液态金属柔性电子打印、液态金属混合流散热、液态金属制氢等领域的发展也将起到积极推动作用。

图2 液态金属系列典型特性及应用

图3 自驱动液态金属在石墨基底上体现出的阿米巴变形虫效应

   迄今，本刊已发表了副主编刘静课题组液态金属研究的一系列原创工作。早在2002年，刘静教授就开创性地提出了液态金属先进芯片冷却技术的方法，并申请了该领域国内外首项发明专利（刘静，周一欣，以低熔点金属或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，2002，发明专利，CN02131419.5）。2007年，课题组以综述文章的形式系统总结了液态金属芯片冷却技术（Kunquan MA, Jing LIU. Liquid metal cooling in thermal management of computer chips. Frontiers in Energy, 2007, 1(4): 384-402. http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-007-0057-3），进一步助推了液态金属在消费电子高端冷却领域的研究与应用，相应论文引起了国内外学者和产业界的高度关注。 

   2011年，基于多年来的实践经验和对产业的把握，课题组提出了有一定普适意义的旨在变革传统工业的液态金属无水换热器的基本思想(Haiyan LI, Jing LIU. Revolutionizing heat transport enhancement with liquid metals: Proposal of a new industry of water-free heat exchangers. Frontiers in Energy, 2011, 5(1): 20-42. http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-011-0139-9)。在热能工业中，存在大量的以水或油作为载热介质进行热量捕获和传输的情形，如余热或废热回收利用，食品或化工热加工过程，太阳能热利用等。将液态金属引入作为载热介质，可有效强化换热能力，减小因传热温差带来的㶲损失，提高能源利用效率，并且使得换热设备更加紧凑。

   2012年，课题组首次报道以液态金属作为新型相变材料用于移动存储设备智能温控的方法（Haoshan GE, Jing LIU. Phase change effect of low melting point metal for an automatic cooling of USB flash memory. Frontiers in Energy, 2012, 6(3): 207-209. http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-012-0204-z），由此开辟了金属相变热控与储能技术的研发热潮。液态金属相变材料在移动电子智能温控，高功率（高热流）瞬时热冲击缓冲，极端恶劣环境热防护等领域有着广阔的应用前景。

   值得一提的是，在2012年，课题组还开创性地提出了基于液态金属墨水的电子电路直写方法（Qin ZHANG, Yi ZHENG, Jing LIU. Direct writing of electronics based on alloy and metal (DREAM) ink: A newly emerging area and its impact on energy, environment and health. Frontiers in Energy, 2012, 6(4): 311-340. http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-012-0214-x），在国际上最早且系统地提出了液态金属印刷电子学思想，并在此基础上研发了一系列液态金属桌面电子电路打印设备，颠覆了传统的电路制造工艺，解决了传统方法存在的设备昂贵、工艺复杂、能耗高、污染大的问题，使得方便快捷的个性化电路设计与制造成为现实，当前，这一领域已成为遍及全球的重大研发热点。

   为弥补液态金属材料性能的不足及来源的有限性，2013年，课题组系统性提出了液态金属材料基因组计划（Lei WANG, Jing LIU. Liquid metal material genome: initiation of a new research track towards discovery of advanced energy materials. Frontiers in Energy, 2013, 7(3): 317-332. http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-013-0271-9），旨在发现更多可用的液态金属合金材料。“一类材料，一个时代”，新材料是奠定新兴科技和工业的基石，构建系统全面的液态金属材料库对于推动液态金属物质科学与技术的发展至关重要。

   2016年，课题组报道了水层包裹的液态金属双流体液滴的撞击特性（Yujie DING, Jing LIU. Water film coated composite liquid metal marble and itsfluidic impact dynamics phenomenon. Frontiers in Energy, 2016, 10(1): 29-36. http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-015-0388-0）。实验发现，由于水层的隔绝，避免了液态金属表面的氧化，从而保持了液态金属在固体表面良好的流动性。这一研究成果有望应用于液态金属喷射冷却、喷墨打印以及金属液滴的制备等方面。

   2017年，课题组发表了一篇迅速引发业界重视的评述文章（Xi ZHAO, Shuo XU, Jing LIU Surface tension of liquid metal: role, mechanism and application. Frontiers in Energy, 2017, 11(4): 535-567. http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-017-0463-9），系统总结了表面张力在液态金属各种应用中的重要角色和作用机制，阐述了典型的表面张力基本理论、影响因素和实验测量方法；同时就室温液态金属这一独特材料在巨大表面张力作用下的基本行为进行了深入剖析，评述了液态金属自驱动柔性机器、外场效应对于液态金属运动行为的影响、液态金属与基底材料之间的润湿特性，以及液态金属氧化膜的特殊功能等问题。文章对于深入认识和理解室温液态金属一系列复杂行为并发展相关应用技术提供了理论基础。

   总的说来，作为近年来一大类快速崛起的新兴功能材料，液态金属为热控与能源、先进增材制造、生物医学以及柔性智能机器等领域的发展带来了一系列重大颠覆性变革，促成了诸多全新科学现象与基本效应的发现和变革性技术的建立，极大改变了人们对于传统流体、软物质及刚体机器的固有认识。如今，液态金属已从十几年前的冷门变成了全球范围内的研究热点。未来，这一新兴领域还将继续给学术界和工业界带来更多惊喜。可以看到，随着更多研究者的加入，液态金属物质科学的研究与应用将迈向前所未有的新高度！

文稿来源：杨小虎，张旭东，中国科学院理化技术研究所，北京100190

感谢刘静课题组对Frontiers in Energy的信任与支持。