研究创造液态金属胞吞效应及呼吸获能现象等类生物学行为

在这篇题为《液态金属吞噬效应：金属间润湿触发的颗粒内化》(Tang et al., Liquid metal phagocytosis: Intermetallic wetting induced particle internalization, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201700024, 2017)的论文中，研究职员创造，金属液滴可在溶液环境中借助电场或化学物质的勉励浸染将周围颗粒吞入体内，犹如细胞生物学界的胞吞效应，效率极高，这一创造也因此开辟了一条构筑高性能纳米金属流体材料的快捷路子。

众所周知，胞吞效应是生物界蜕变出的一种细胞吞噬外界颗粒的基本行为，普遍存在于从单细胞生物到各种高档级生物体系中。
比如，变形虫可通过胞吞浸染来获取营养物质，而高档生物则依赖巨噬细胞的吞噬浸染来清理细胞残骸。
在该项研究中，与外来物超过细胞膜类似的是，颗粒进入液态金属内部的先决条件是必须战胜同时存在于固/液两种金属相界面上的氧化膜的阻碍。
对此，研究职员提出了三类勉励机制以实现液态金属的胞吞浸染，即：电阴极极化、赞助金属物极化及化学物质触发（图1）。
文章分别揭示出在酸性、碱性和中性溶液环境中实现液态金属胞吞浸染的规律。
个中，通过外加电场产生阴极极化的方法具有快捷可控、易于操作等优点，因此也更具普适性。
进一步研究还创造，支配液态金属胞吞征象的机制在于固/液两金属相之间的润湿浸染，研究职员为此建立了旨在定量刻画固/液两金属相之间打仗关系普遍规律的理论模型，较好地阐明了实验结果，并估算出不同材料颗粒胞吞浸染的能垒，进一步预测了有关颗粒材料的吞噬浸染能否自发进行。
文章同时还指出，金属间的反应性润湿是胞吞浸染得以推进的另一关键成分。

液态金属系列吞噬效应的创造，展示出了十分丰富的科学内涵，其同时对付规模化制备超级液态物质如极高导热率界面材料、高导电性电子墨水以及强磁性液态金属等尤具实际代价。
一方面，该创造使得不同金属颗粒得以高效分散加载到液态金属相中去，由此可以按照设计需求来人为增强或改进液态金属的某些物理化学特性；另一方面，该效应也使得液态金属可通过结合特定微/纳米颗粒来得到全新属性。

此外，在另一篇题为《伽伐尼堕落电偶诱发的液态金属Marangoni流动》的论文中（Tan et al., Galvanic corrosion couple-induced Marangoni flow of liquid metal, Soft Matter, 13: 2309-2314, 2017），研究小组揭示了液态金属由于与另一类金属打仗所导致的表面流动的起因。
通过丈量液态金属的电势降落，引入电化学堕落理论，作者定量研究了Ga-Cu堕落电偶所诱发的液态金属Marangoni流动和界面剪切力的大小；并利用流体力学数值仿照验证了相应结论。
研究还进一步创造，温度场会显著改变全体流场的分布。
此项事情拓展了人们对液态金属界面流动的理论认识。

在该小组稍早一些时候揭橥的一篇题为《制造液态金属搏动心脏的呼吸获能机制》的论文中（Yi et al., Breathing to harvest energy as a mechanism towards making a liquid metal beating heart, RSC Advances, 6: 94692-94698, 2016），研究小组创造，当把金属液滴部分浸没于碱性溶液、部分暴露于空气中时，处于液态金属与空气交界面的溶液会涌现自发周期振荡征象，这种规律性的振荡从四周向中央再到四周，如此往来来往循环不已，其表现犹如液态金属通过深呼吸动作来实现心脏搏动一样，令人惊异的是全体过程的发生和持续无需额外的能源供给与外界勉励。
该自振系统十分大略，只需在室温下将液态金属置于碱性溶液中即可实现，这与著名的汞心脏效应中须借助两类金属与溶液发生化学反应来产生搏动的机制不同。
造成这一征象的缘故原由是空气、液态金属、溶液三相线处的表面张力存在梯度导致了Marangoni流动。
该创造为液态金属自振荡马达的实现供应了根本。

以上液态金属系列类生物学效应的根本创造再次彰显这类材料蕴藏着的新奇物理化学行为，对付理解人人为料与自然界生命征象之间的关联乃至进一步发展前辈技能具有启示意义。
有关研究得到中科院院长特殊基金及前沿科学重点项目帮助。
（来源：中科院理化技能研究所）

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图1 期刊封面故事反响的液态金属吞噬颗粒效应（左）及三类技能实现路子（右）

图2 伽伐尼堕落电偶及温度梯度诱发的液态金属Marangoni流

图3 类似于生物体呼吸获能行为的金属液滴自发搏动征象

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