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液态金属: 万亿级产业航母待加速——访清华大学医学院教授 刘静
2018年2期 发行日期:2018-01-15作者:■ 本刊记者 朱一帆


 5a5c918c0383f.jpg     清华大学医学院教授  刘静

      2017年9月,中国科学院发布《2017科学发展报告》。其中,液态金属作为当前的一大研究热点,被列入这一权威报告。液态金属是什么?主要应用于哪些领域?这一材料在未来有可能带来哪些颠覆性的技术进展?《2017科学发展报告》的编写者之一、国内液态金属研究领域的领军人——清华大学刘静教授日前接受了本刊记者的独家专访。


  【CCN】液态金属主要应用于哪些领域中,与传统材料相比有哪些优点?
  【刘静】液态金属是指常温下呈液体状态、可流动且能导电的金属。液态金属既是金属又是液体,相当于多种功能材料的叠加,因此它在诸多领域都有应用。在热控领域,液态金属制作导热膏,用于芯片冷却和电脑器件散热,其沸点高、传热快,与传统材料相比,导热性有了量级的改变;由液态金属制造的散热器可以解决热障这一传统材料无法解决的世界性难题,并已形成其独特的理论和技术体系。在电子领域,液态金属可以作为墨水用于3D打印,直接生成电子电路,与传统的金属相比,其打印温度和设备成本均大幅降低,并且制造时间缩短,可实现个性化定制。在医学领域,液态金属与人体有良好的生物相容性,可以将神经电信号连通,用以修复断裂神经。在机械领域,与传统的聚合物材料相比,液态金属自驱动、可变形、能跑会跳,为研发柔性机器人提供了路径。以上应用领域都是由中国科研人员首先开创,并在国际上引起了不小的反响。

   【CCN】目前,国内液态金属研发处于什么水平和阶段?哪些液态金属产品和技术已经得到产业化应用?
   【刘静】近几年中国液态金属的研发推进十分迅速,未来有着广阔的科研发展空间,世界范围内液态金属科学研究与工业应用的重心正逐渐形成于中国。中国液态金属研究从2000年开始酝酿,此后长达十多年的时间里,已申报200余项发明专利,基本覆盖液态金属的众多领域。团队迄今有幸做出了40余项全新基础科学发现,并在芯片冷却、热量捕获、低成本制氢、桌面电子打印机、3D打印、神经连接、肿瘤治疗、柔性可变性机器等方面取得了一系列底层技术突破。
      例如在电子技术方面,2014年我国在印刷电子学领域取得重大技术突破,研制成功世界首台室温液态金属打印机,可在任意表面绘制电路。2016年,继研发出自主运动的可变形液态金属机器之后,我们又发现液态金属具有类似细胞吞噬外界颗粒的“胞吞效应”,这使得造出“终结者”材料成为可能。近期,我国研究人员又首次提出“液态金属悬浮 3D 打印”的概念和方法,可在室温下快速制造具有任意复杂形状和结构的三维柔性金属可变形体并用于组装立体可拉伸电子器件。
     截至目前,液态金属产业化在增材制造、热控与能源、医疗健康、柔性机器等领域都取得了丰硕的成果。2016年在云南举办的“第二届液态金属产业技术高峰论坛”集中展示了100多种新产品。其中有很多热控产品实现了规模化的销售,例如热界面材料,美国IBM公司和欧洲都曾研究过热界面材料,但均不能较好地解决粘附性问题。我国自主研发的热界面材料性能在世界范围内处于领先地位,而且建立了高达上百吨的规模化生产线。液态金属冷却器(散热器)也早在一些年前就得到了产业化应用,只是由于当前市场上台式机越来越少而逐步减少生产,今后可能会更多地研究面向数据中心、高性能服务器、笔记本电脑以及更多超大功率光电设备的冷却器。
  【CCN】请您简单介绍一下我国液态金属产业的现状,为何该产业能在云南大放异彩?
  【刘静】液态金属的一系列重大应用技术正在重塑新的工业架构,催生出一系列新兴产业。目前,中国液态金属产业方面处于世界上非常显著的领先地位,其产品正在大规模快速推进,未来有着巨大的产业发展空间。其中,云南的液态金属产业领先全国,形成对外输出技术、产品乃至服务的格局。当地建成国内外领先的年产200吨液态金属、热界面材料产品、液态金属电子油墨以及年产20万套液态金属电子手写笔的生产线,相关产品已批量投放市场并远销欧美国家;世界首台液态金属桌面电子电路打印机及墨盒生产线也在建设之中。
  液态金属产业在云南开出了绚丽之花,这其中有着多方面的原因。云南素有“有色金属王国”之称,拥有巨大的金属储量,其中铅、锌、锡、磷、铜、银等25种矿产储量位居全国前三位,有力地提供了产业所需原材料。云南当地政府的大力扶持和企业家的眼光超前、务实肯干,实现了产业的繁荣。云南的自然环境和生态环保俱佳,吸引了全国各地液态金属企业向当地汇聚;其得天独厚的自然条件也为科研人员提供了良好的实验平台。云南虽地处西南,却始终与首都科研机构(清华大学、中国科学院等)保持密切的联系,实现了产学研的有机结合,造就了“科研出中关村,产业出云南”的奇观。一个高新技术产业要实现良性发展,科学要先行,产业要推进,地方支持必不可少,同时与外界的交流不可或缺,这样才能形成一个外向、包容、开放的产业系统。云南地区以上条件都得到了满足,因而使得液态金属在当地能大放异彩。
  【CCN】未来液态金属有望产生哪些改变世界的颠覆性技术?在化工、能源领域有何应用前景?
  【刘静】液态金属作为一类特殊功能材料,有望在电子信息、生物医学、柔性机器人、新计算机等领域带来颠覆性变革,并催生出一系列战略性新兴产业。在电子领域,将引发一场电子革命,会打破电子制造和功能器件制造的不平衡状态,使得随处制造电子成为可能。在医学上,液态金属将在接合和修复断裂神经、治疗肿瘤技术、柔性外骨骼技术、血管造影术等方面改变世界。柔性机器人方面,目前已发现了液态金属存在胞吞等类生物行为,有望制造出能跑会跳的机器人,将科幻变成现实。在计算机方面,液态金属可构建计算核心逻辑单元,有望发展出灵活、智能、可控的计算系统。在化工领域,目前已发现液态金属可作为催化剂,实现固体铝在室温下的直接、连续快速产氢,尽管大多数研究成果还停留在实验阶段,但已彰显出巨大的发展潜力。在能源领域,科学家们制备了液态金属氢源燃料电池,实现了氢气的平稳生产,具有广阔的应用前景;常温液态金属电池在大规模储能方面性能优越,将成为未来最有潜力应用于电力储能的电化学储能技术之一。

   【CCN】当前,我国政府十分重视新材料产业的发展,出台了一系列利好政策。要促进像液态金属这样的新材料加速产业化,您认为国家应在哪些方面下工夫?
   【刘静】第一,从意识层面上,社会要摒弃错误的科学评价思潮,提高民族自信心,对国内原创的高新技术领域应大加重视。中国从近代以来在科学和技术上长期技不如人,造就了国人“凡是西方热衷的科学领域都是好的,凡是国内的科学成果都不可取”的错误思维。这种错误的观念导致了国内对国际上的热点产业很重视,而对像液态金属这样绝大多数由中国原创的领域却不重视。与之相反,西方发达国家对液态金属领域已经有清晰认识,正不断向此领域大举进军。如果这种状态持续发展下去,可能会重现历史惊人的一幕:火药由中国人发明,枪炮却来自西方。
  第二,在财力方面,国家应该加大对此领域的投入。液态金属是一艘名副其实的“万亿级产业航母”,仅从其在电子领域的应用来看,一台打印机价值40万~50万元,20万台打印机即价值上千亿元;其在柔性机器、先进能源、新计算机等领域的价值更是无法估量。然而,目前国家对液态金属投入比较少,研发力量也相对薄弱。但我国液态金属科研团队却在极其有限的人力、物力、财力下,一路披荆斩棘,为此领域的开拓发展做出了杰出贡献,在世界上发出了中国原创的声音。因此,国家应该加强对此领域的政策扶持,加大资金投入,扩充研究力量,方能实现产业的蓬勃发展。
  第三,国家在研究和产业方面给予全方位支持的同时,应避免科研和产业界出现混乱。在科研界,要给予原创者以政策和资金支持,合理分发科研经费,避免出现“能言善辩者多拿经费,而播种者却被踩在脚下”的现象。目前,液态金属的研究正逐步引发研究和产业的热潮,在产业界有必要引导合理有序的投资。


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