東南大學科研團隊新發現，極小納米尺度下，固態金屬受力可恢復原形

液態機器人　應用不太遠（科技改變生活）

能當血管清道夫、可做永不斷裂電子器件

《 人民日報 》（ 2014年10月20日   12 版）

在科幻片《終結者》中，施瓦辛格掏出霰彈槍朝液態機器人射擊，身體被打穿了數個大窟窿的液態機器人，卻能恢復原形“滿血復活”。日前，記者從東南大學獲悉，該校電子科學與工程學院孫立濤教授的研究團隊，首次觀察到10納米以下固態金屬銀顆粒在室溫下的類液態行為，即在極小的納米尺度下（小於10納米），普通的固態金屬無論如何受力形變，都可以恢復原形。

而通過這項研究，與《終結者》中的液態金屬機器人相似的“縮微版”，在不久的將來，有望應用在生物醫學等領域。這項歷時3年的研究，孫立濤團隊與浙江大學電子顯微鏡中心張澤院士、麻省理工學院李巨教授和匹茲堡大學毛星源教授的團隊合作，在最新一期《自然材料》（Nature Materials）上在線發表的論文，是對經典金屬塑性變形理論在納米尺度下的一次重大修正和超越。

發現：極小納米尺度下，金屬顆粒仿佛穿上“水膜”外衣，兼具固體和液體特性

“這個發現，雖然純屬意外，但在意料之中”。這篇論文的第一作者、東南大學電子科學與工程學院博士生孫俊介紹，孫立濤教授2008年從德國歸來前，一直從事輻照高溫條件下納米金屬在碳納米管和碳洋蔥內的高壓變形行為研究，極小的納米金屬在被間接擠壓出來後，迅速凝聚成一個小顆粒，給科研人員留下了很深刻的印象，讓人隱隱約約已經有了一些類液體想法。

2011年6月的一天，團隊通過透射電子顯微鏡，觀察一個存儲器元器件工作時的結構變化。當晚11點多，成員們工作時不小心從一塊金屬電極上，蹭下來一小塊銀金屬顆粒。

“試着直接擠壓一下它，看看是什麼情況？”在孫立濤的建議下，大家小心翼翼將這塊金屬顆粒進行了擠壓和拉伸，但當撤去外力時，它又恢復了原狀。這樣的結果令他們大感意外。

有了這次意外收穫，團隊決心有意識地在該領域做深入研究。經過兩年上百次的實驗，並請麻省理工學院合作人員通過計算機進行模擬獲得支持數據，最終他們發現，在極小的納米尺度下（小於10納米），固態金屬通過任何受力形變，是可以恢復原形的。而宏觀的金屬材料變形機制通常遵從的經典位錯滑移和孿晶變形理論，卻無法解釋這個現象。

“經典金屬變形理論基於位錯滑移理論，即固體金屬的原子有規律地排列成類似閱兵的方陣，遇外力時原子層與原子層之間互相滑動，在無外力干預情況下不可恢復原狀。”孫俊向記者解釋，但到了極小的納米尺度，金屬表面原子所占比重越來越大，其變形機制，也越來越受表層原子的運動影響。由於表層原子非常活躍，納米金屬就仿佛穿了一層“水膜”一樣的外衣，一旦受到外力，“水膜”一樣的外層原子就會先運動起來，這時的納米金屬就兼具了固體和液體的特性。納米金屬在擠壓後，表層原子迅速移動，形成了新的表面層，而撤除擠壓時，這層活躍的“水膜”分子又會呼啦啦往上跑，直到把金屬顆粒恢復原形。

困難：在顯微鏡下操作極其微小的金屬顆粒，是件考驗耐心的精細活兒

從2011年6月第一次發現這一現象，到2014年8月論文在國際期刊上發表，三年的研究時間裡，團隊遇到了哪些挑戰？

“最大的挑戰有兩個。”孫俊介紹，首先這一現象與現有理論不符，證明它並非偶發的特殊現象，需要大量的反覆試驗，而納米級的金屬顆粒極其微小，在顯微鏡下擠壓、拉伸它非常困難。

10納米到底有多小呢？把1米分成10億等份，每一份即一單位的納米。把一單位納米放到一個乒乓球上，就相當於把乒乓球放到地球上這樣的一種比例。為了得到乾淨的極小的納米顆粒，團隊成員獨闢蹊徑，在透射電子顯微鏡下，利用電遷移方法，把存儲器元器件銀電極上的銀原子現場轉移到探針上，並進行進一步的精細化操作。

“這是件精細活，極其考驗耐心和毅力。”孫俊說，由於金屬顆粒實在太小，不僅獲得它、轉移它很困難，將樣品杆對準它進行拉伸或者擠壓，有時候一天也對不準，有時候調整了半天，金屬顆粒卻擠偏滑落了。最長的一次，團隊曾忙碌了整整一周也毫無收穫。

實驗艱難，向國際學術期刊投稿也不太順利。孫俊回憶，由於實驗結果出人意料，有些審稿人無法接受這一觀點。經歷了漫長的等待，最初投出去的稿子，又被退了回來。去年11月，論文投往《自然材料》，在兩次審稿中，有一個審稿人分別提出了14個和7個問題。團隊成員隨即進行了大量的資料搜集，統計整理過去20年來代表性實驗的相關資料，並進行了理論分析。在嚴謹的實驗數據和縝密的理論分析面前，論文終於獲得一致通過，並在今年8月被選為11月份《自然材料》的封面論文。

應用：可廣泛應用在計算機、電子器件、軍事等領域

科研人員介紹，在極小的納米尺度下固體金屬可以恢復原形的塑性行為，被稱作“贗彈性”。那麼贗彈性如何應用？

據了解，雖說《終結者》裡龐大的液體金屬機器人無法製造，但是造出微型液態金屬機器人，還是指日可待。過去，腸胃病患者做胃鏡非常痛苦，有些醫院現在應用膠囊鏡減輕患者的痛苦，而納米級的金屬材料將走得更遠；再如，微型的液態金屬機器人還能深入患者的毛細血管，作為清除血栓的清道夫。

同時，納米金屬這種“無論如何扭曲擠壓都會恢復原形”的特質，可以應用製造大變形無磨損的金屬關節和記憶開關，在傳感器和納米機器人領域得到廣泛應用。可摺疊的手機屏幕、可貼在人皮膚上測量血壓和心率的醫用智能皮膚等，往往不能經受長時間的變形而斷裂，納米金屬顆粒的發現，將有可能製作出永不斷裂的可摺疊電子器件。

在軍事領域，一些國家製造出模仿蜻蜓撲翼飛行原理的微型偵察機器蜻蜓，其高頻率高速扑打會出現翅膀磨損變形等問題，而應用這項新成果，這一技術手段將有望得到改進。

“就像一把雙刃劍，贗彈性有着正反兩方面的應用”。據團隊研究人員介紹，當前隨着半導體技術的發展，集成電路中金屬互連線以及電極的特徵尺寸正向10納米逼近，作為基礎框架的金屬形態，無法像塊體材料那樣保持穩定性，金屬導線將難以做成長條狀，這無疑向現代集成電路產業提出了挑戰。研究團隊認為，要解決這一技術瓶頸，可在金屬導線的表面鍍一層氧化膜，或者摻雜一些其他原子，使其表面活躍的原子“凝固”，未來就有望製造出元器件和芯片更小、運算速度更快的電子計算機。