中科院金属研究所，中科院金属研究所在哪个城市
导语
从DNA到太阳系的轨道排列，自组织图案无处不在，且在物理学、生物学、地质学和化学中均得到了广泛的研究。其中，Liesegang现象，即时空有序的周期性环带，在1896年就被首次观察到。迄今为止，以往所报道的大多数Liesegang图案都是在溶液环境中形成的，而且图案形成的特征时间尺度通常是数天，空间尺度平均为数厘米。
镓（Ga）基液态金属是一种兼具金属性和流动性的新兴功能材料，在柔性电子、催化、生物医学工程等领域均有很多研究及应用。在这些应用中，液态金属与固体金属之间的接触都是不可避免的。例如，为了改善基底浸润性，在柔性基底上可以预先覆盖一层高表面能金属前驱薄膜，如铂、金、铜等，通过金属间润湿来图案化液态金属。这些过程涉及到液态金属与固体金属薄膜在极小尺度下的相互作用，然而液态金属与固体金属的微观作用机制还没有被细致地研究探索。在此，中国科学院理化技术研究所刘静研究员、王倩副研究员团队在研究液态金属在金膜表面上的反应扩散问题时，首次发现该体系在室温和大气环境下形成了不同形貌的呈时空有序分布的毫米级自组织Liesegang图案，并对其背后的深层次微观作用机制和规律进行了系统的试验揭示和理论探究。这一工作系首次观察到液态金属-固体金属体系存在Liesegang现象，相应发现也为研究液态金属与更广泛固体金属薄膜之间的各种自组织反应扩散体系开辟了崭新的思路，相关成果发表在Adv. Mater.（DOI：10.1002/adma.202209392）。
前沿科研成果
文章主要揭示了镓基液态金属团簇在金膜上形成时空周期性分布的Liesegang图案的现象及机理。反应导致的扩散、润湿导致的铺展和氧化膜的束缚是Liesegang图案形成的三个必要条件。液态金属团簇在金膜上自组织图案化的过程中同时伴随着化学反应，生成了金属间化合物AuGa 2 和AuIn 2 。通过Ga-Au系统得到了回复型Liesegang图案，在2.59 mm范围内观察到444个AuGa 2 环带，且它们的时空排布符合经典的Liesegang定律；在EGaIn-Au体系中，通过AuIn 2 和AuGa 2 的竞争形核实现了复合型Liesegang图案的构建。
室温条件下，首先研究了单质液态金属Ga在Au表面的行为，如图1所示。扩散前，整个衬底上Au的厚度为100 nm。Ga团簇在金膜表面扩散的过程中，局部Au发生迁移并与Ga合金化形成AuGa 2 晶体，同时Si基底暴露出来。最终，一个回复型的Liesegang图案形成了，其同心环带由扩散中心向外辐射，在2.59 mm内可以观察到共444条AuGa 2 环带，呈现出排列逐渐致密化的褶皱形态。从扩散中心到扩散边缘，褶皱总体呈现由稀疏到密集、由宽到窄、由高到低的变化趋势，其时空演化与经典的Liesegang图案形成定律（时间定律、间距定律、宽度定律）相吻合。
图1. Ga-Au体系形成的Liesegang图案（来源：Advanced Materials）
二元液态金属EGaIn在Au表面的润湿、扩散、铺展行为如图2所示。液态金属和金膜反应扩散所导致的前体环会从液态金属表面的自限性氧化膜下逸出，这就导致了固-液-气三相接触线的移动，最终，液态金属液滴在金膜表面塌陷，完全铺展。对于液态金属微团簇和金的反应扩散体系，同样可以观察到反应扩散诱导的前体环以及润湿导致的铺展，此外，还可以观察到团簇的自组织图案化行为，这个过程也遵循着传统的时间定律。
图2. EGaIn-Au体系的润湿、扩散和铺展行为（来源：Advanced Materials）
对Ga-Au和EGaIn-Au体系反应扩散所得的Liesegang样品进行了XRD及TEM测试（图 3）。结果显示，Ga-Au体系的产物是AuGa 2 ，在EGaIn-Au体系中，以AuGa 2 相为主，而AuIn 2 相则相对较少。可以推测在EGaIn-Au体系的反应-扩散-铺展过程中同时发生了以下几个过程：（1）Ga和Au的相互扩散及金属间化合物AuGa 2 的生成：Au + 2 Ga → AuGa 2 ；（2）In和Au的相互扩散及金属间化合物AuIn 2 的生成：Au + 2 In → AuIn 2 ；（3）Ga在自由表面的氧化。界面处AuGa 2 和AuIn 2 的竞争形核不仅对EGaIn在Au膜上的润湿和铺展过程有重要影响，而且对复合Liesegang图案的形成也起着关键作用。
图3. 由Ga-Au和EGaIn-Au体系获得的Liesegang图案的相组成表征（来源：Advanced Materials）
EGaIn-Au体系形成的复合Liesegang图案可以分成五个区域（I-V，图4）。在扩散中心（I区），Ga和In发生相分离，In优先和Au基底合金化生成形状各异的块状AuIn 2 晶体；II区为Au发生迁移后，暴露的硅片基底和残留的氧化镓微球团聚物；III区为由AuGa 2 晶体形成的褶皱环带结构，环带由稀疏逐渐变得密集；IV区和I区相似，主要组成为AuIn 2 金属间化合物；V区和III区相似，AuGa 2 褶皱逐渐致密化，只是褶皱波动的变化尺度更为微观。
图4. EGaIn-Au体系所形成的Liesegang图案的空间分布（来源：Advanced Materials）
为了进一步研究AuIn 2 优先成核的临界条件，研究小组构建了GaIn x -Au (x=24.5, 15,10,5,0)体系（图5）。通过比较这五种Liesegang图案可以观察到，只有在GaIn 24.5 -Au和GaIn 15 -Au体系中，AuIn 2 晶体优先在扩散中心形成；而在GaIn 10 -Au和GaIn 5 -Au体系中，图案中心没有AuIn 2 的形核，仅在扩散过程中出现了离散的AuIn 2 团簇。由此可以推测，在Ga-Au和In-Au的竞争合金化反应中，当GaIn合金中In的质量分数不少于15%时，In优先和金发生合金化反应形成AuIn 2 。AuIn 2 的多次成核行为可以用奥斯特瓦尔德过饱和模型来解释，即当产物的浓度超过一个临界阈值时，就会触发成核。在反应扩散前沿，AuIn 2 的成核耗尽了周围的In，过饱和度急剧下降，成核过程停止。随着扩散过程中Ga的逐渐消耗和In的不断积累，当移动前沿中In的浓度再一次达到临界值时，会再次发生成核，出现另一个分离的AuIn 2 环带。
图5. AuIn2和AuGa2的竞争形核行为（来源：Advanced Materials）
该研究成果发表于材料领域国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）。该论文第一作者为中国科学院理化技术研究所的博士研究生邢泽溶，通讯作者为中科院理化技术研究所刘静研究员和王倩副研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金委员会的大力资助。
团队简介
液态金属与低温生物医学实验室于1999年正式成立，由中国科学院理化技术研究所刘静研究员任学术带头人。实验室始终坚持基础研究与应用实践并重，研究方向主要涉及两方面，分别围绕液态金属物质科学前沿交叉研究方向以及先进生物医学研究方向等，涵盖了液态金属、工程热物理、低温生物医学、移动健康技术、材料科学与工程、电子工程、机械工程、化学及应用物理学等多个学科领域。
围绕液态金属这一重大新兴前沿学科领域，实验室经过二十余年的努力，在基础探索及其综合利用方面取得一系列开创性基础发现和底层技术突破，先后开辟出诸多崭新领域和前沿方向，如：液态金属印刷电子学与3D打印、液态金属芯片冷却与能量捕获、液态金属生物材料学以及液态金属柔性机器学等，率先在国际上构建了液态金属物质科学与应用技术体系。与此同时，还提出并推动了中国液态金属谷与液态金属全新工业的创建和发展，得到业界广泛认同。实验室发明的一系列技术已推向规模化市场应用，研究成果在世界范围广有影响，被誉为“人类利用金属的第二次革命”。
实验室还在生物传热学领域有重大贡献和系统创新，先后建立系列新型高/低温医疗模式、生物热物理理论与应用技术。因“在热科学与技术领域卓越贡献而备受传热界尊敬”，刘静研究员获国际传热界最高奖之一威廉•伯格奖（每4年颁发1次，每次在全球仅选出1名）。实验室发明并研制出世界首台集深低温冷冻与高温消融于一体的肿瘤微创治疗装备-康博刀，这一大型医疗装备已通过国家药监局产品注册审评获准上市，在全国范围实现规模化临床应用。在长期实践中，实验室还较早提出低成本普惠医疗技术思想，出版了均为国际首部的前沿著作：《先进低成本医疗技术》及《手机平台上的生物医学工程学：原理及应用》，促进了新兴学科和产业繁荣；研发的系列无线移动医疗设备得到规模化应用。
实验室自组建以来先后承担多项国家、中科院和各部委科研课题，已出版17部跨学科前沿著作，特别是在新兴学科方向出版了诸如《液态金属物质科学基础现象与效应》、《液态金属3D打印技术-原理及应用》、《液态金属印刷电子学》、《中国液态金属工业发展战略研究报告》、《常温液态金属：将如何改变未来》、Liquid Metal Biomaterials：Principles and Application、Liquid Metal Soft Machines：Principles and Applications、Advanced Liquid Metal Cooling for Chip, Device, and System、《超常规能源技术》、《微米/纳米尺度传热学》等前沿著作。在国内外权威学术期刊上发表学术论文500余篇，其中50余篇入选知名期刊封面或封底故事。实验室已申请专利500余项（其中发明专利占80%以上）。
实验室先后荣获国际传热界最高奖之一威廉•伯格奖、全国首届创新争先奖、科技盛典CCTV年度十大科技创新人物、中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖、中国国际工业博览会创新奖、中关村十大创新成果、中国制冷学会技术发明一等奖、美国机械工程师学会会刊年度唯一最佳论文奖、入选及入围两院院士评选中国十大科技进展新闻各1次、两次入选中科院科技成果在京转化先进团队特等奖等，并入围素有国际工业界“奥斯卡”之称的“R&D 100Awards Finalist”。
作者简介
刘静教授简介：
清华大学教授/中科院理化所双聘研究员；清华大学理工双学士、工学博士。长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究。发现液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了液态金属在生物医疗、柔性机器人、印刷电子与3D打印、芯片冷却等领域探索实践，提出并推动了中国液态金属谷以及液态金属全新工业的创建和发展；研发的众多液态金属应用系统、大型肿瘤治疗装备-康博刀系统及无线移动医学仪器等得到广泛应用。约50篇液态金属主题论文入选期刊封面或封底故事，获授权发明专利300余项。曾获国际传热界最高奖之一“The William Begell Medal”（每4年从全球范围选出1名学者授奖）、2017全国首届创新争先奖、入围及入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”各1次，CCTV 科技盛典2015年度十大科技创新人物、2015 R&D 100 Awards Finalist、美国《Popular Science》（中文版）2016年度全球100项最佳科技创新奖，两次入选中国科学院科技成果在京转化先进团队特等奖等。
王倩副研究员简介：
中国科学院理化技术研究所副研究员。2009年获清华大学工学学士学位，2014年获清华大学工学博士学位。目前担任中科院理化所液态金属与低温生物医学研究中心副主任。主要从事液态金属、柔性电子与生物医学工程等方面交叉科学问题研究。主持国家自然科学基金、北京市科委等10余项科研项目，发表SCI论文40余篇，授权专利26项，编写学术著作《液态金属印刷电子学》，获得2019年度中科院北京分院成果转化特等奖。
关于人物与科研
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