近日，清华大学医学院生物医学工程系刘静教授与实验室梁书婷博士后在学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了关于《Fluorescent liquid metal as transformable biomimetic chameleon》（基于荧光液态金属的可变形仿生变色龙）的最新研究。

  此项研究首次通过将液态金属包覆微/纳米荧光颗粒制备了稳定的彩色荧光液态金属，通过不同的制备方法可控制形成不同尺度的荧光液态金属液滴“弹珠”。该荧光金属液滴能对电场响应并自发变成各种形状，不同荧光的液态金属液滴还能有效自身融合、分离；有趣的是，通过电刺激能成功的触发该荧光液态金属液滴不断释放出内部的微/纳米粒子，这些仿生型变色功能可模拟自然界的变色龙，其深入的释放机制也在文中得以探讨。此类荧光液态金属材料有望开辟多项应用领域，比如多功能智能机器、生物仿生材料、荧光生物标记等方面。

  研究背景

  自然界生物系统中存在着许许多多让人叹为观的色彩现象。变色龙靠调节皮肤表面的纳米晶体，在伪装、求偶和传递信息的过程中表现出了非凡的变色能力。人类期待从大自然中得到灵感，以制造仿生机器人从而更好的模仿适应自然。

  基于液态金属常温下呈液态，具有独特的灵活性、变形性和无毒性，使得液态金属在仿生智能机器人、柔性皮肤电子、超微血管机器人等领域展示出广阔的应用前景。经过长期积累，实验室团队已发现液态金属的多种仿生功能，如模拟细胞吞噬外界颗粒的“胞吞效应”；模拟生物体自发搏动现象的“呼吸行为”；模拟蠕虫自发变形通过不规则的狭孔和弯道；模拟阿米巴效应的液态金属变形虫等等。

  液态金属在空气中能自发氧化形成一层超薄氧化层，从而阻止金属与空气接触继续氧化。该氧化层改变了液态金属的表面张力和润湿性能，其独特的高粘附性能有效的包附WO3、TiO2、C纳米管、半导体或药物等纳米材料，从而赋予液态金属一些独特的电化学、光化学或载药功能。部分金属（如Al、Cu、Mg、Fe等）纳米颗粒可直接与液态金属反应形成新的物质，赋予液态金属磁性、自驱动或光热转化等功能。液态金属一般呈现单一的银白色，上述研发的众多功能中大多未涉及其外表的彩色功能。若能通过微颗粒添加改变液态金属的外表，将大大提升其独特性能。

  最新进展

  通过在液态金属中可控性的掺入不同荧光的稀土微/纳米颗粒，一系列不同荧光色的液态金属得以被研发出。将高纯度的液态金属GaIn24.5合金和800nm~20μm尺度的荧光稀土颗粒按一定比例升温混合；通过不同的制备方法控制，形成了不同尺度400μm~3.5cm直径大小的荧光液态金属液滴“弹珠”。液态金属液滴对微/纳米颗粒的负载量约为0.6%左右。

  在紫外光激发一段时间后，这些金属液滴能在黑暗中稳定的发射各种明亮的紫、绿、橙、蓝色荧光。该微/纳米荧光颗粒能在液态金属表面保持稳定，与其表面带褶皱的高粘附性的氧化表皮有关。该荧光金属液滴保持了液态金属原有的优良的电导率、柔性、高导热性等功能和物理化学性质，不同尺度颜色的荧光金属液滴之间还可以不断的产生劈裂、合并、吞噬和自旋运动。 有趣的是，在电刺激的作用下，该荧光液态金属的形状和外表颜色均可发生改变，很好的模拟了自然界变色龙的行为。

  研究发现，当把铜电极的阴极插入荧光液态金属液滴时，液滴会持续不断的释放各种颜色的荧光微粒，仿佛“天女散花”一般。直至金属内部微粒全部释放，此时裸露金属液滴变为银白色。深入的释放机制与液态金属在不同电解溶液中的电化学反应和表面形成的双电层引发的“马兰戈尼流”有关。此外，电压的改变也可导致荧光金属液滴的表面张力和粘附力发生改变，从而引发荧光微粒的加速释放。 通过在不同的酸碱溶液中使用不同电极的刺激，荧光液态金属还可完成一系列的运动、变形、变色等活动。

  此项研究在液态金属领域实现了金属的荧光化与自发发光行为，其应用领域已经渗透到荧光液态金属生物造影、荧光柔性机器人、荧光液态金属电路打印、荧光液态金属3D打印等行业。

       转载自微信公众号“国际仿生工程学会”

       转载链接：http://mp.weixin.qq.com/s/sX1BYPYrOGJC-LYkOoF6tA

       全文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.7b17233