电影剧照
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小机器人从固态变为液态,在磁场的引导下穿过“牢笼”,并通过放置在栏杆外的模具重新凝固,成功“越狱”。
这种科幻电影《终结者》中的情节,出现在中美科学家联合提出的“磁控固-液相变材料”的实验中。该研究由中山大学广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室和卡内基梅隆大学软体机器人实验室合作完成。相关研究论文日前发表于国际期刊《物质》。
相变,指物质从一种状态到另一种状态的转变。相变材料则指可以发生固液气三种状态切换的材料。论文通讯作者之一,中山大学教授蒋乐伦告诉记者,相变材料按照化学组分,可以分为使用金属合金、无机盐等无机物的无机相变材料,使用石蜡、多元醇等有机物的有机相变材料和复合相变材料。由于相变材料在发生相变时,会吸收或者释放大量能量,因此相变材料的典型应用是储能。
“相变材料主要利用潜热储能,具有储热密度大,蓄热装置结构紧凑,相变过程中自身温度基本不变,易于管理等特性。其应用场景包括太阳能储能系统、空调储冷系统等。”蒋乐伦说。
相变材料的另一应用是传热。“热管可以利用内部工质,如水、酒精等,实现从液到气之间的可逆相变。在此过程中,热管会吸收和释放大量的热量,成为高效传热的元件。目前,热管已经广泛应用于笔记本CPU散热,高功率电子元器件散热等领域。”蒋乐伦说。
“我们提出磁控固-液相变材料,主要的灵感来源是电影《终结者》与动物海参。”蒋乐伦说,“《终结者》中的液态金属机器人的手,可以在固液切换后,变成一把刀。同时,机器人还可以变成液态后越狱。海参也非常有趣,可以通过改变富含蛋白的原纤维间基质的硬度,来改变体壁外形。”
为了充分利用液态金属在特定条件下固-液切换的特性,研究团队将磁性颗粒,如钕铁硼、Fe_3O_4等混合融入液态金属——镓中。通过高频的磁场加热,该液态金属会由原先的固态转变为液态。在其转变为液态后,研究团队可以通过半导体制冷(珀耳帖效应)或者自然冷却对其进行降温,从而使之由液态变为固态。
“未来几年,在磁控固-液相变材料方面,我们会进一步开展安全性试验,同时还会结合图像导航技术,实现磁控固-液相变机器人及其集群在体内的可控、可视操控和释药,让研究成果进一步走向临床。”蒋乐伦说。据科技日报
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