IJSNM发表液态金属最新进展：液态金属在纳米材料、柔性电子和新能源领域中应用进展

作为一种新型材料，液态金属因其独特性能和广泛潜在应用而引起了科学家们关注。本文介绍了不同条件下液态金属基本概念、性质和优势，并讨论了其合成方法和应用领域最新进展。还介绍了液态金属在科学和工业中开发状态。系统综述了液态金属最新研究进展，揭示了液态金属在材料科学、工程和电子技术方面的潜力和应用前景。研究范围涵盖了液态金属在纳米技术、材料工程、电子技术、能源等领域广泛应用，以及液态金属在柔性电子器件、传感器、催化剂、储能等领域最新应用情况。同时，讨论了液态金属领域需要解决的核心问题。通过对液态金属评论，我们希望为研究人员提供参考和指导，并促进液态金属领域的进一步发展。这篇综述将有助于刺激人们对液态金属的兴趣，并探讨该领域的创新和应用发展。

近期，中国重庆重庆文理学院马逸豪同学及梁书婷副教授团队在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Overview of progress of liquid metal applications in nanomaterials, flexible electronics and new energy”论文，回顾了液态金属研究，重点介绍了其物理性质、制备方法和应用前景，并指出了存在问题和挑战。本研究将为该材料的进一步发展和应用提供理论指导和技术支持。虽然已经进行了一些研究进展，例如通过电化学方法制备高质量液态金属，以及热电材料和流体传感器领域应用研究，但仍然需要解决液态金属制备方法的优化和扩展及其在氧化环境中的稳定性。通过总结现有研究，更清楚地了解液态金属目前的关键技术、进展和研究状态。它为未来的液态金属进一步发展和应用提供了理论和技术指导。

在当今的信息时代，材料科学和技术领域正在经历快速发展和创新时期。液态金属(LM)作为一种具有高导电性和流动性材料，在电子器件、电池、传感器等领域有着广泛的应用。液态金属具有许多独特的特性，如低熔点、可控变形和快速氧化修复能力等，这使得它在新能源、柔性电子等领域具有很大的应用价值。

在液态金属的制备方法、物理性质、工艺和应用方面取得了一些进展。在制备方法和工艺方面，包括电化学方法、机械加载和自组装方法，这些方法对于获得高质量液态金属至关重要。例如，通过电化学方法制备高质量的液态金属已成功实现。此外，液态金属在热电材料和流体传感器领域的应用也得到了广泛的研究和探索。在物理性质方面，包括液态金属的电导率、热电和氧化特性将是讨论的重点。液态金属作为一种具有高导电性和流动性的材料，在电子器件、电池和传感器方面具有广阔应用前景。在研究液态金属的过程中，相关的理论框架包括电化学理论、电导率理论和材料相互作用理论。这些理论将有助于理解和解释液态金属的特征，并为其在各个领域的应用提供支持。

液态金属在柔性电子和高导电性器件中应用引起了广泛研究兴趣。在柔性可拉伸电子器件中使用液态金属，如自愈、高透明度和抗膨胀。这些特性使液态金属非常适合可穿戴设备和其他需要高机械适应性的电子。液态金属与特定复合材料的结合引起了研究团队的关注。例如，超分子共晶凝胶(SEG)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的结合不仅保留了液态金属的高导电性和机械适应性，而且使材料具有较高的透明度和自愈能力。这种组合对于可穿戴设备领域的液态金属应用至关重要，尤其是在水下或潮湿的环境中。

这些研究结果为液态金属在柔性电子和高外延器件领域应用提供了新的思路和方法。在柔性电子领域，通过将液态金属与其他材料相结合，可以实现更复杂的功能。例如，通过将LM与SEG超模共晶凝胶相结合，可以形成具有高透明度和自愈能力的可穿戴设备。通过将LM与PDA改性氧化石墨烯相结合，可以形成高电容和良好的介电弹性复合材料。LM和SiBS的结合可以形成具有良好水蒸气透过率的可拉伸电子器件。将LM与水凝胶结合后，可以形成能够检测水下运动的抗膨胀传感器。LM和硫化物的结合可以提高柔性器件的稳定性和界面键合能力。可以看出，当 LM 与功能材料相结合时，新的柔性设备可以保留原始材料一些特殊功能。

图1. 液态金属材料在各个领域的广泛应用

柔性热电(TE)器件在可穿戴技术领域变得突出，但它们面临着散热和电连通性等挑战。最新研究通过集成相变材料(PCMs)辐射器和可拉伸半液态金属(Semi-LM)互连成功地解决了这些挑战，证明了它们优越的热管理能力。另一项研究探索了基于液态金属基质的潜在热能存储系统和新固态锂金属电池的发展，为未来能源转换和热释电技术领域提供了重要的创新思想和方法(图2)。

在能量转换领域，通过整合PCM柔性散热器和半LM弹性连接器，可以提高柔性热电器件。以石蜡PCM微粒为复合材料的LM可应用于电池热管理和加热器等领域。这些研究成果为能源转换和热电技术发展提供了新的思路和方法，有望在可穿戴设备、电动汽车等领域的未来发挥重要作用。

图 2. 能量转换和热电技术：(a)通过将柔性热电器件与相变材料散热器和半液态金属互连相结合，温度调节和热管理的进展；(b)基于液态金属基质的新潜热存储系统，显示出热管理和能源利用的潜力;(c)在固体锂金属电池构建中应用具有混合离子和电子传导的新加网结构；(d)液态金属/聚乙烯醇水凝胶多功能摩擦电纳米发电机;(e)液态金属和纤维素纳米晶体增韧压电水凝胶

液态金属在制造领域的先进应用，包括使用其独特的低熔点和弹性精确制造复杂结构和合成新材料。使用液态金属Galinstan结合激光选择性激活技术。该技术不仅保持了优异的导电性和拉伸性，而且为柔性电子器件的制备提供了新的思路和方法。

液态金属也可以以更有效的方式合成。例如，可拉伸矩阵和智能传感手套可以通过激光激活来实现。将二氧化硅添加到LM制备的复合传感器可以集成到触觉手套中，识别精度可达90.5%。可以看出，在高效制造中，可以通过改进 LM 打印制备方法或添加其他颗粒材料来增强所制备的器件的功能。在材料合成中，利用低温LM界面氧化物层剥离和气体反应合成了二维GaPO4纳米片。单晶Ga板也可以通过简单的晶体生长过程获得。液态金属在柔性电子、新材料合成和高性能传感系统等领域有着广泛的应用前景，为未来的研究和应用提供了有价值的方法和启示。

液态金属在提高电子器件性能方面的研究尤为突出，特别是专注于提高电池和电子设备中电极和电解质之间的界面性能，以提供更高效、更稳定的电流传输方案。通过调整液态金属合金的铟含量，一些研究团队实现了建立三维电路的方法，以精确控制合金的凝固和熔化过程。一些研究团队还研究了液态金属在提高锂金刚石电解质界面性能方面的应用，并提出了创新的界面工程策略来优化固态电池的性能。

在电子设备制备过程中，LM固液相变可以通过使用不同的高温和低温来实现，该方法制备的三维柔性电子器件可以监测手指的运动。在界面工程中，LM涂层技术可以优化锂硼化电解液的界面，降低与空气接触的界面电阻，提高稳定性。LM和氧化石墨烯形成的超薄纳米复合材料可以实现超高电磁屏蔽。通过自组装LM粒子，可以形成超薄单层薄膜，实现人体皮肤复杂表面的电子纹身。最后，开发的重点是在三维柔性电子器件制备中固化液态金属技术，为未来的柔性电子器件提供了新的制备途径。

基础科学研究侧重于液态金属的物理和化学性质，包括表面结构和理论模型的分析，以确定满足特定应用需求的最佳材料组合和结构(图3)。在这一领域，最新的研究继续揭示液态金属的各种行为和潜在的应用。一些研究团队探索了液态金属液滴在不同水层厚度上的弹性和粘附性，为我们提供了新的见解液态金属的表面行为。同时，该团队从液态金属薄膜Ga2O3-SiO2中脱落。电和热特性的研究异质结构扩展了半导体材料的新合成和应用路径。

在表面结构中，发现当将其他贵金属添加到 LM 时，会发生表面凝固现象。例如，嵌入在LM中的金银形成表面固化和图案。同时，在 LM 中仅添加 0.001% 的银也可以触发固化现象。当将水原原子结合到LM粒子中时，它们的粘塑性增强。另一方面，LM 将分层在菱形表面上。然而，它在较厚的水层中跳跃甚至更高。  

图3.表面结构的研究与理论探索:(a)液态金属液滴在不同水层厚度上的反弹和粘附研究，为液态金属的表面行为提供了新的见解;(b)液态金属薄膜的Ga2O3-SiO2异质结构的电和热特性，为半导体材料的合成和应用开辟了新的途径;(c)液态金属合金在纳米表面工程中的应用，通过表面凝固效应制备了纳米模式，为能源、电子和催化领域提供了新的材料设计思路;(d)液态金属表面凝固过程中的图案形成。(e)液态金属接触硬壁时的分层现象;(f) Ag(In, Ga)S2纳米晶体的高效合成方法及其在发光太阳能集中器中的应用;(g)通过硫系掺杂提高液态金属颗粒的粘弹性，提高印刷金属丝的应用

重庆文理学院马逸豪为本文第一作者，梁书婷副教授为通讯作者。