液體金屬打開新世界大門

【液體金屬打開新世界大門】幾十年前，人們常用的體溫計里裝的是一種液體金屬——汞。如今，隨著人們對汞的危害了解增多，以汞為原料的液體體溫計逐漸退出了人們的家庭。不過，如果你現(xiàn)在還想買液體體溫計，也許能遇上我們今天的主角——鎵。
鎵是化學史上第一個先由理論預言，而后在自然界中被發(fā)現(xiàn)驗證的化學元素。
1871年，編制了世界上第一張元素周期表的俄國化學家門捷列夫根據(jù)他總結的元素周期規(guī)律，提出了一個預測：自然界中存在一種原子量大約是68，密度為5.9g/cm，性質與鋁相似的元素，它應被排列在元素周期表中鋁元素的下方。
門捷列夫的這一預測，在1875年被法國化學家布瓦博得朗證實了。他在觀察從閃鋅礦礦石中提取的鋅的原子光譜時，發(fā)現(xiàn)了一條新的紫色色帶，他意識到，這條色帶對應著一種新的未知元素。1875年11月，布瓦博得朗提取并提純了這種新的金屬，并證明了它的性質確實與鋁相似。這個元素被布瓦博得朗以祖國法國的曾用名“高盧”冠名——鎵。

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《終結者2》里可以隨意改變形狀的機器人殺手

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鎵在自然界中隱藏很深，熔點僅有29.78℃，沸點卻高達2403℃，因此它多數(shù)時候都以液體的形態(tài)在各類元素中四處“游蕩”，而很少以獨立的形態(tài)存在。鎵在鋁土礦、閃鋅礦、黃鐵礦等礦石中含量很少，化學家們高溫灼燒礦石時，它才會以化合物的形式揮發(fā)出來，還要經過多種提純手段精煉才能得到純粹的鎵單質。如果沒有門捷列夫的預言，也許鎵的真面目還不能那幺快被揭開。
科幻片《終結者2》里，出現(xiàn)過一個神通廣大的機器人殺手，它能隨心所欲地變成任何形狀，甚至可以穿墻入室完成既定的殺人任務，被威力巨大的武器擊中后也能自動愈合，簡直無所不能，讓人束手無策。如果現(xiàn)實中人們也能造出這樣一個機器人，那幺鎵是科學家能找到的最適宜的材料。
2014年9月，美國北卡羅來納州一個科研團隊研發(fā)出一種可進行自我修復的變形液態(tài)金屬，距離打造變形機器人的目標更進一步。
科學家們使用鎵和銦合成液態(tài)金屬，這種合金在室溫下就可以成為液態(tài)，而且它的表面張力很高，在不受外力情況下，這種合金能保持一個幾乎完美的圓球。但是，合金對電流很敏感，當通過少量電流時，合金的表面張力會降低，球形金屬會在桌面上“融化”成一攤“水”，而如果撤銷電流，合金又會慢慢聚成一個球。更改電壓大小還可以調整金屬表面張力和金屬塊黏度，從而令其變?yōu)椴煌Y構。這樣的話，只需要改變電流，制造一個可變形的機器人就不再是幻想了。
這個變形機器人還可以自主“進食”和運動。2015年，中國中科院和清華大學的聯(lián)合研究小組研發(fā)出世界首個自主運動的可變形液態(tài)金屬機器人：當將鎵基液態(tài)合金置于電解液中時，它可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實現(xiàn)高速、高效的長時運轉。實驗顯示，一小片鋁即可驅動直徑約5毫米的液態(tài)金屬球實現(xiàn)長達1個多小時的持續(xù)運動，速度高達每秒5厘米。
液體機器人看起來充滿了科技感，但就像電影中呈現(xiàn)的那樣，它很可能失控造成人類的負擔，因此科學家們暫時還沒有制造液體機器人的想法。但是，用鎵制造的合金卻給人們推開了一扇新世界的大門。
芯片是現(xiàn)代社會最重要的科技元件之一，我們每天玩的手機、用的電腦、看的電視、聽的音響，里面都有芯片的存在，若沒有芯片，就沒有現(xiàn)代世界里輕巧又好用的高科技產物。而芯片的出現(xiàn)離不開半導體。半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，隨著溫度、電場方向等因素的變化，半導體的導電性會發(fā)生相應的變化。正是因為具有這樣的特性，半導體才能實現(xiàn)可控導電和通信等功能。
人們用以硅材料為代表的第一代半導體取代了笨重的電子管，制出了以芯片為代表的集成電路，推動了微電子工業(yè)的發(fā)展和整個IT產業(yè)的飛躍。然而，盡管硅擁有很多優(yōu)越的電子特性，但經過幾十年的發(fā)展，這些特性已經快被用到極限，科學家已很難用硅基再造出性能更優(yōu)異的芯片。他們一直在尋找能替代硅的半導體材料，以制造未來的電子設備。這時候，化合物半導體進入了科學家的視野。
化合物半導體是指由兩種或兩種以上元素形成的化合物，它具有半導體的性質。1928年，科學家用2000多度的高溫和近萬個大氣壓的苛刻條件將金屬鎵和氮氣合成為一種新的化合物半導體材料——氮化鎵。當時的他們沒有想到，在經歷了將近一個世紀不溫不火的狀態(tài)后，今天，氮化鎵這種半導體材料煥發(fā)出了新的生機。
與硅基半導體相比，氮化鎵變成導體需要更大的能量：硅材料的電子連成導電帶所需能量為1.1eV，氮化鎵則需3.4eV 。這意味著氮化鎵具有更好的熱性能和更高的光電轉換效率，在相同的電力供應下，它能實現(xiàn)比硅基芯片更強大的功能。
氮化鎵芯片更能滿足現(xiàn)今高熱量、低能耗、高性能的電子產品的需求：氮化鎵芯片制成的電子器件可在200℃以上的高溫下工作;氮化鎵芯片應用在電力電子器件中，使得系統(tǒng)能耗降低30%以上;氮化鎵芯片作為微波通信基站的核心材料，能使得基站傳輸覆蓋面積比目前提升一倍以上。
對中國來說，氮化鎵芯片更是突破國外芯片技術封鎖的絕佳武器，因為與落后兩三代的硅基芯片相比，氮化鎵芯片產業(yè)在世界范圍內都處于起步階段，中國在氮化鎵芯片技術上與發(fā)達國家并駕齊驅。
未來，氮化鎵芯片將在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車和消費類電子等領域全面開花，液態(tài)金屬鎵將從方方面面改變人們的生活。