近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)學(xué)習(xí)所與清華大學(xué)聯(lián)合小組，首次報道了室溫液態(tài)金屬如鎵基合金液滴可在外加電場激勵下吞噬微/納尺度金屬顆粒的現(xiàn)象，文章在線發(fā)表于尖端科學(xué)（Advanced Science）并被選作封面故事。 在這篇題為液態(tài)金屬吞噬效應(yīng)：金屬間潤濕觸發(fā)的顆粒內(nèi)化(Tang et al.， Liquid metal phagocytosis: Intermetallic wetting induced particle internalization， Advanced Science， DOI: 10.1002/advs.201700024， 2017)的論文中，學(xué)習(xí)人員發(fā)現(xiàn)，金屬液滴可在溶液環(huán)境中借助電場或化學(xué)物質(zhì)的激勵作用將周圍顆粒吞入體內(nèi)，如同細(xì)胞生物學(xué)界的胞吞效應(yīng)，效率極高，這一發(fā)現(xiàn)也因此開辟了一條構(gòu)筑高性能納米金屬流體材料的快捷途徑。 眾所周知，胞吞效應(yīng)是生物界演化出的一種細(xì)胞吞噬外界顆粒的基本行為，普遍存在于從單細(xì)胞生物到各種高等級生物體系中。比如，變形蟲可通過胞吞作用來獲取營養(yǎng)物質(zhì)，而高等生物則依靠巨噬細(xì)胞的吞噬作用來清理細(xì)胞殘骸。在該項學(xué)習(xí)中，與外來物跨越細(xì)胞膜類似的是，顆粒進入液態(tài)金屬內(nèi)部的先決條件是必須克服同時存在于固/液兩種金屬相界面上的氧化膜的阻礙。對此，學(xué)習(xí)人員提出了三類激勵機制以實現(xiàn)液態(tài)金屬的胞吞作用，即：電陰極極化、輔助金屬物極化及化學(xué)物質(zhì)觸發(fā)（圖1）。文章分別揭示出在酸性、堿性和中性溶液環(huán)境中實現(xiàn)液態(tài)金屬胞吞作用的規(guī)律。其中，通過外加電場產(chǎn)生陰極極化的方法具有快捷可控、易于操作等優(yōu)點，因此也更具普適性。進一步學(xué)習(xí)還發(fā)現(xiàn)，支配液態(tài)金屬胞吞現(xiàn)象的機制在于固/液兩金屬相之間的潤濕作用，學(xué)習(xí)人員為此建立了旨在定量刻畫固/液兩金屬相之間接觸關(guān)系普遍規(guī)律的理論模型，較好地解釋了實驗結(jié)果，并估算出不同材料顆粒胞吞作用的能壘，進一步預(yù)測了有關(guān)顆粒材料的吞噬作用能否自發(fā)進行。文章同時還指出，金屬間的反應(yīng)性潤濕是胞吞作用得以推進的另一關(guān)鍵因素。 液態(tài)金屬系列吞噬效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，展示出了十分豐富的科學(xué)內(nèi)涵，其同時對于規(guī)�；苽涑壱簯B(tài)物質(zhì)如極高導(dǎo)熱率界面材料、高導(dǎo)電性電子墨水以及強磁性液態(tài)金屬等尤具實際價值。一方面，該發(fā)現(xiàn)使得不同金屬顆粒得以高效分散加載到液態(tài)金屬相中去，由此可以按照設(shè)計需求來人為增強或改善液態(tài)金屬的某些物理化學(xué)特性；另一方面，該效應(yīng)也使得液態(tài)金屬可通過結(jié)合特定微/納米顆粒來獲得全新屬性。 此外，在另一篇題為伽伐尼腐蝕電偶誘發(fā)的液態(tài)金屬Marangoni流動的論文中（Tan et al.， Galvanic corrosion couple-induced Marangoni flow of liquid metal， Soft Matter， 13: 2309-2314， 2017），學(xué)習(xí)小組揭示了液態(tài)金屬由于與另一類金屬接觸所導(dǎo)致的表面流動的起因。通過測量液態(tài)金屬的電勢降落，引入電化學(xué)腐蝕理論，作者定量學(xué)習(xí)了Ga-Cu腐蝕電偶所誘發(fā)的液態(tài)金屬Marangoni流動和界面剪切力的大小；并運用流體力學(xué)數(shù)值模擬驗證了相應(yīng)結(jié)論。學(xué)習(xí)還進一步發(fā)現(xiàn)，溫度場會顯著改變整個流場的分布。此項工作拓展了人們對液態(tài)金屬界面流動的理論認(rèn)識。 在該小組稍早一些時候發(fā)表的一篇題為制造液態(tài)金屬搏動心臟的呼吸獲能機制的論文中（Yi et al.， Breathing to harvest energy as a mechanism towards making a liquid metal beating heart， RSC Advances， 6: 94692-94698， 2016），學(xué)習(xí)小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把金屬液滴局部浸沒于堿性溶液、局部暴露于空氣中時，處于液態(tài)金屬與空氣交界面的溶液會出現(xiàn)自發(fā)周期振蕩現(xiàn)象，這種規(guī)律性的振蕩從四周向中心再到四周，如此往復(fù)循環(huán)不已，其表現(xiàn)如同液態(tài)金屬通過深呼吸動作來實現(xiàn)心臟搏動一樣，令人驚訝的是整個過程的發(fā)生和持續(xù)無需額外的能源供給與外界激勵。該自振系統(tǒng)十分簡單，只需在室溫下將液態(tài)金屬置于堿性溶液中即可實現(xiàn)，這與著名的汞心臟效應(yīng)中須借助兩類金屬與溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生搏動的機制不同。造成這一現(xiàn)象的原因是空氣、液態(tài)金屬、溶液三相線處的表面張力存在梯度導(dǎo)致了Marangoni流動。該發(fā)現(xiàn)為液態(tài)金屬自振蕩馬達的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。 以上液態(tài)金屬系列類生物學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)再次彰顯這類材料蘊藏著的新奇物理化學(xué)行為，對于理解人工材料與自然界生命現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)乃至進一步發(fā)展先進技術(shù)具有啟發(fā)意義。有關(guān)學(xué)習(xí)得到中科院院長特別基金及前沿科學(xué)重點項目資助。
