产生于注射中的大量液态金属微滴

 

 

这个不期而至的基础发现可能开启了一项新的应用——金属微球的快速低成本制备。

 

我们最常见的液晶屏是在两块平行板之间填充液晶材料，为保证画质，要求两块板中间的距离非常均匀。如何保证距离，这就需要把微小尺度球体（以下简称微球）均匀地放置在两块板之间，充当液晶间隔物。

 

这里的微球是一种肉眼看不见的小球，不仅制备工艺复杂，成本也居高不下。

 

不久前，由刘静教授带领的清华大学与中国科学院理化技术研究所（以下简称理化所）联合小组的科研人员收获了一个意外发现——液态金属射流暗藏天然“剪刀手”，大量金属微球的获取几乎不费吹灰之力就可以浑然天成。相应工作以封面文章形式发表于德国《先进工程材料》上。

 

 

刘静在接受《中国科学报》记者采访时笑称：“这只是一个纯属偶然的有趣发现。”

 

除了清华大学医学院生物医学工程系教授的身份外，刘静还是理化所双聘研究员，因此刘静团队同时有着生物医学工程与工程热物理学的双重专业背景，而这个意外的发现还得先从生医工程这个专业说起。

 

“该发现源于实验室开展的一项血管成像工作。”刘静打开电脑里的多个视频和图片给记者作了解释，通过现代的造影技术，将造影剂比如碘海醇注射进器官血管中，在X射线照射下可将血管与其周围组织区别开，造影剂密度越高，成像效果越好。

 

“一个现存的问题是，造影剂对X射线的分辨率有限，因而使得最终的成像效果并不是那么清晰。”

 

于是，刘静团队启动了探索液态金属血管成像方法的研究。他们采用的方法是往离体的动物心脏、肾脏类器官中注入液态镓，这种金属在29.5摄氏度左右时化学性质十分稳定。因此，当液态镓灌注到对应器官各个微小血管时，不会造成破坏。

 

刘静团队用该方法首次拍摄到了清晰的填充了镓流体的心血管空间分布图像，还分别对猪心脏注入液态镓和碘海醇后进行对比，发现注射液态镓的心血管分布相片清晰度和质量得到了大幅度的提升。

 

当然，这样的结果来自大量的并不总是那么成功的重复性实验，由于实验中需要不时配制金属流体并将其注射于相关组织器官，操作失误也在所难免。

 

在一次实验中，博士生于洋和王倩不小心将注射针头内的液态镓射入样品液池中，接下来发生了奇妙的一幕：金属流体迅速分散，接着形成大量粒径均一的金属微滴，在灯光照射下熠熠生辉。

 

两人立刻请来了导师刘静。看到此现象，多年从事液态金属研究的刘静无法平静：“有些不可思议，没想到微球还可以来得这么容易。”紧接着，他解释道：“可能是清洗器官时从中流淌出来的体液部分，起到了分散金属流体的作用。”

 

 

刘静兴奋地说：“虽然对于心脏的构造我们还有很多不清楚的地方，但这个不期而至的基础发现可能开启了一项新的应用——金属微球的快速低成本制备。”

 

近年来，在生物、化学、药学乃至电子制造等领域，微球发挥的作用日益重要。尤其是液态金属微球，在微开关、微泵、金属零部件加工乃至3D打印等方面具有独特的价值。

 

传统上，金属微球可通过电学设备制造，也可形成于微流体器件，其产生机制事实上是近年来微流体研究的重点之一。然而，此类制备大多采用流体共聚焦等方法实现，微滴系单颗产生并收集，微流道制造途径成本高、涉及的仪器设施多，工艺复杂、程序烦琐耗时且产生效率低。

 

对此发现，刘静将其比作为一种独特的室温液态金属射流自剪切现象，借助该方法制备微球不仅简单而且快捷，免去了复杂昂贵的制造过程和硬件投入，大幅降低了液态金属微球获取的难度和成本。

 

随即，刘静团队通过系列对比试验，发现了其中的关键机制在于金属流体自身的高表面张力及在溶液中特别添加的表面活化剂的双重作用。“在失重状态比如外太空环境下，水滴会由于其自身的表面张力而呈一个规则的球形。”刘静为记者做了解释，“表面活化剂在日常生活中随处可见，比如肥皂、洗洁精等。”

 

刘静还通过实验中拍摄的系列视频向记者重现了当时的情形：利用微细孔径注射器将液态金属快速注入添加有表面活性剂的水中，两种流体表面张力上的显著差异与相互作用，极易导致金属射流出现自剪切现象，即从射线束流状态继而收缩形成最小直径在50微米左右的微滴，表面活性剂的存在则确保了这些微液滴不会在碰撞下重新融合。

 

“这是一种以往从未被报道过的室温液态金属流体力学新现象，基于这个效应，可在几秒内即快速制备出数以千计的液态金属微球，而且不需要复杂的设施，整个操作过程十分简便，生成的金属微滴能够在室温下稳定存在几个星期以上，冷却后随即形成固态金属微球。”刘静说。

 

 

新的发现激发了进一步的热情和干劲，他们随后又开展了大量的实验研究，发现了金属射流与周围流体之间的相互作用对微球生成的影响规律。接下来，他们还会将微球堆积成形，经降温后制成坚硬的多孔金属结构，这一特性也有望为液态金属微加工等技术创造条件。

 

面对还沉浸在惊喜中的刘静，记者想到了这样一个问题：“如果两位博士生当时根本没在意那个现象，是不是一个重要发现就此错过？”

 

“也许！但实验室获得这样的发现应该说还是存在很高概率的，毕竟，我们在相关研究上已坚持了10多年，当遇到特殊现象时，一般也不大会错过。事实上，类似的偶然发现在实验室还出现过多次。”刘静回答道。

 

机会总是青睐有准备的人。如今，在刘静所指导过的学生或助手中，已有8人以上成长为教授或研究员，其中1名入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”等。

 

“多年来，科学界不乏跟随的步伐，原始创新弥足珍贵，所以我在决定开始一项新探索之前，考虑最多的是相应工作能有多少原创空间。”刘静说，“我也是这么告诫我的学生，科学界没有绝对的天才，但可以通过后天的勤奋与努力，让自己不断向着优秀迈进。”

 

作为从事工科研究的学者，刘静也希望自己的科研成果能投入应用。此前，他带领团队取得的系列成果如液态金属芯片散热技术、可植入式医疗电子在体3D打印、皮肤电路直写技术、纸上印刷电子、液态金属3D打印、液态金属电子手写笔以及可在任意表面制造电路的雾化打印方法等均因其开拓性在国际国内产生较大反响，这些进展正在催生出一系列崭新应用。

 

基于此次的发现，刘静还有一个设想，能否用这样的液相微球制备工艺来获得更多种类的颗粒和液滴？不过要实现对应的目标，还需要更多研究数据，而刘静的希望是发现不要止步于实验室。

 

（原载于《中国科学报》 2014-03-17 第6版 进展   作者：沈春蕾）