我在厦大实验室打“奶油”？看他们如何让液态金属“立起来”！

如何将原本流动的液态金属， 像“打发奶油”一样“立起来”，应用于3D打印之中？

近日，厦门大学材料学院白华教授与胡晓兰副教授团队的研究取得重要进展。他们制备了一种新型液态金属高内相乳液凝胶，可以被直接用于3D打印。同时，首次实现通过施加电场来激活油墨导电，并最终实现了液态金属在多种复杂场景中的3D打印。相关成果在线发表于《自然·通讯》。

而“让液态金属立起来”的故事背后，是该团队连续3年的刻苦钻研。

当液态金属遇上3D打印

液态金属在常温下呈现液态，可以随意改变形状，同时具有良好的导电性，是可穿戴和可植入生物设备以及软机器人领域重要的材料。

3D打印是重要的材料加工技术，液态金属与其结合可以给材料加工带来更多新的可能。但3D打印制造物件是自下而上的过程，这要求使用的材料需要有一定的固态，流动的液态金属显然无法做到。

所以如何让二者结合起来，以实现“1+1＞2”的效果，是白华教授团队想要解决的难题。白华说：“我们一直在找一种方法，可以让液态金属保持我们希望的形状，能像盖高楼一样，在三维空间‘竖’起来。”

白华教授团队博士生林泽文想到，具有黏性的蛋清通过打发，在发泡以后就能不再流动，而成为相对稳定的奶油，如果在液态金属中加入某种材料将它变成介于液体和固体之间的乳液，在颗粒之间形成堆积，也就可以让它保持自身的形状，像奶油一样“支棱”起来。而寻找到适合的材料便是他从2021年开始思考与研究的问题。

当“幸运”来敲门

这样的关建材料到底是什么呢？

2021年寒假期间，林泽文依然苦苦思索着这个问题。这种材料要让液态金属“发泡”，但是在打印之后不能影响液态金属本身的导电性，就像消失了一样。而林泽文在使用洗手凝胶时，发现洗手凝胶会在使用时消失，便决定尝试将它与液态金属相结合，看一看会发生什么作用。

他幸运地发现洗手凝胶中的关键成分——Carbopol分子与液态金属是“天造地设的一对”，它和液态金属表面可以发生相互作用，在类似奶茶搅拌器的装置高速搅拌后，使液态金属形成微小的液滴堆积在一起，从而形成一种类似乳液的液态金属墨水，它能够从打印机的喷嘴中挤出，挤出后还能够保持三维形状，就好像奶油从裱花嘴中挤出。

液态金属墨水制备工艺及形成原理

恰如奶油打发需要一定的配料，液态金属墨水的配制绝非是把直接洗手凝胶与液态金属混合那样简单。林泽文需要去调配自己最理想的“洗手凝胶”，凝胶与液态金属要多少配比，需要进行多久的搅拌，在打印的过程中用多少的气压，用多大针头，这些数据都要进行一次一次的实验才可以确定。他说：“有了思路，就必须去做，做了可能会失败，但是不做肯定不会成功。”

在后续实验中，就像是幸运在敲门，林泽文更是惊喜地发现即使“洗手凝胶”是绝缘凝胶的，但是在通电情况下，让液态金属墨水依然可以保持高导电性。这一偶然的创新点发现，让林泽文万分惊喜，当时“连饭都不想吃了，只想赶紧去实验室做实验”。

林泽文也用自己的实验与研究接住了这份幸运，在白华教授与胡晓兰副教授的指导下，他作为第一作者，将有关液态金属3D打印的相关研究成果在线发表于《自然·通讯》上。

分工不同的科研“同事”

“好的课题是做出来的，学生们科研最好的灵感来源就是他们自己。”白华教授与胡晓兰副教授的团队氛围是宽松的，只要是在学术上、应用上有价值的课题，白华都会鼓励同学们勇敢去做，去尝试，他觉得科学研究并非是学生在给老师“打工”，导师和学生其实是分工不同的科研“同事”，缺一不可。

白华会给予他的学生足够多的空间去探索他们感兴趣的有意思的课题，让他们自主进行实验与研究，以培养独立解决问题从事研究事业的能力，希望“学生们在科研中真正学到方法，感受到乐趣”。而他则在合适的时候给出指导，“导师，是会在学生独立探索遇到困难时施以援手的人”。

白华指导学生分析电化学数据

林泽文在液态金属3D打印上的所选择的材料与混合方式基本都是由他自己实验探索出来，而当他被理论知识困住而无法解释原理时，白华便多次与他交流，并送给他一本与砂浆泵送相关的书——《金属矿膏体流变学》。“刚开始我很疑惑，砂浆泵与液态金属有什么相关性？”在阅读之后，他发现砂浆泵在性质上可以类比液态金属，也就不得不感叹白老师早已指点了明路，只是在等着我自己去发现答案了。”林泽文说。

白华教授与胡晓兰副教授的团队主要研究高分子材料，他们主要使用有机材料去研究能源和传感领域里的一些问题，用有机材料去做能量的转化、存储和传感工作。

他们的研究方向除了液态金属3D打印外，还有结构储能器件，也就是研究出一些具有强度的电池，使它在储能给电动车供电以外，本身还可以进行结构开发，也就是做成汽车外壳或者底盘的样子。也可以简单说成以“用汽车的底盘或者外壳去储存能量”。

未来，白华教授与胡晓兰副教授的团队依然会进行液态金属3D打印方向的研究，围绕此方向做的不断的挖掘它的深度，进行研究的延续工作，探究制品的可重复性、稳定性，尝试同其他工业材料结合，推进其在实际产业化的应用。