液態(tài)金屬：新的“生命”形態(tài)？

哈立德

液態(tài)金屬變身“軟體動(dòng)物”

2015年春，Advanced Materials（《先進(jìn)材料》）上，發(fā)表了一項(xiàng)由清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院理化技術(shù)研究所得出的研究成果。這一團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)控制下液態(tài)金屬與水的復(fù)合體，可在各種形態(tài)及運(yùn)動(dòng)模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的基本現(xiàn)象。

在放有氫氧化鈉（火堿）溶液的凹槽里，兩只約有成人小指粗細(xì)，長(zhǎng)度卻只有不到一半的液態(tài)金屬“蚯蚓”靜靜地“沉睡”著。但只要“喂”給它們一小塊鋁箔，這兩只銀白色的“蚯蚓”就會(huì)在凹槽中游走，直到迎頭相撞，便旋即合為一體，像編組站里的火車，掛接上新的車廂之后繼續(xù)前行……

這種呈現(xiàn)出“生命”特性的金屬，叫作“鎵基液態(tài)合金”。具體來(lái)說(shuō)，它是由鎵和銦這兩種低熔點(diǎn)稀有金屬組成的合金。浸在氫氧化鈉溶液里的液態(tài)鎵銦合金，能夠“吃進(jìn)”鋁箔，并像“吃飽了飯的動(dòng)物”一樣開始移動(dòng)。正因如此，在《先進(jìn)材料》上發(fā)表的論文中，它們被稱為“仿生型自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬軟體動(dòng)物”。

劉靜教授團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)工作成果，源于長(zhǎng)期以來(lái)在液態(tài)金屬領(lǐng)域不斷研究推進(jìn)中的偶然發(fā)現(xiàn)。他們的研究表明，讓鎵基液態(tài)合金變身成為“軟體動(dòng)物”的本質(zhì)原因，是合金“吃”鋁的過(guò)程，剝掉了一部分鋁表面的氧化鋁層，使其露出了“新茬”。于是，浸在氫氧化鈉溶液里的鎵銦合金和鋁，就在鎵銦合金里產(chǎn)生了內(nèi)生電場(chǎng)?；蛘哒f(shuō)，這個(gè)液態(tài)合金和鋁組成的系統(tǒng)，發(fā)生著類似電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)。

這種反應(yīng)的效果，就是改變了液態(tài)金屬的表面張力，使金屬珠“兩側(cè)”能夠像公園腳踏船的槳葉那樣“撥水”，成為推動(dòng)金屬珠前進(jìn)的主要?jiǎng)恿?。與此同時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，也形成一個(gè)個(gè)微小的氣泡，成為金屬珠移動(dòng)的輔助動(dòng)力。

這個(gè)令人著迷的過(guò)程，并非司空見慣的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果，通常是讓參與反應(yīng)的物質(zhì)消失，并得到其他的物質(zhì)。以中學(xué)化學(xué)中最常見的制取氧氣和氫氣實(shí)驗(yàn)為例，加熱高錳酸鉀（KMnO4），會(huì)生成錳酸鉀（K2MnO4）、二氧化錳（MnO2）并釋放出氧氣，高錳酸鉀則很快就會(huì)消減。制取氫氣也是如此，將鐵放進(jìn)稀硫酸里，會(huì)得到硫酸亞鐵（FeSO4），并釋放出氫氣；如果將鋅放進(jìn)稀硫酸里，則會(huì)得到硫酸鋅（ZnSO4）并釋放出氫氣，而原本的金屬和硫酸都會(huì)消減。

但“吃進(jìn)”鋁箔之后的鎵基液態(tài)合金，則更像進(jìn)餐后的動(dòng)物。這些被置于電解液（氫氧化鈉溶液）中的合金，只需要一點(diǎn)點(diǎn)鋁箔，就可以移動(dòng)很長(zhǎng)時(shí)間，而且自身基本不會(huì)發(fā)生什么變化。

正因?yàn)殒壔簯B(tài)合金的獨(dú)特性質(zhì)，這種“軟體動(dòng)物”引起了世界各國(guó)科技界的廣泛關(guān)注。雖然“動(dòng)物”這個(gè)詞僅僅是一種比喻，但也不禁讓人思考：這些液態(tài)金屬的人造物，可以稱為“生命”嗎？

如果擴(kuò)展“生命”的定義，或者說(shuō)讓生命不再局限于碳基，鎵基液態(tài)合金的確存在著被定義為“鎵基生命”的可能性。它能夠在氫氧化鈉生活環(huán)境中“吃飯”和自主運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，以及憑借液態(tài)“身軀”善于“變形”通過(guò)狹窄空間的優(yōu)勢(shì)，都讓它具備了近似于動(dòng)物的“特質(zhì)”。甚至，驅(qū)動(dòng)它運(yùn)動(dòng)的電化學(xué)反應(yīng)，也可以理解為一種獨(dú)特的“新陳代謝”?！白越M裝”的特性，有可能讓它形成更為復(fù)雜的個(gè)體，甚至進(jìn)化出基本的智能，這就像一個(gè)個(gè)細(xì)胞構(gòu)成了人體的組織、器官，最終組成了可以思考和行動(dòng)的人體一樣。

或許正因如此，《先進(jìn)材料》封面反映這項(xiàng)科研成果的科學(xué)畫，竟然與反映5億多年前寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的古生物復(fù)原圖有些相似。

生命是否還有別的形式？

鎵基液態(tài)合金及其獨(dú)特性質(zhì)無(wú)疑超越了一般人的認(rèn)知，所以劉靜教授在向公眾介紹的時(shí)候，常會(huì)引用一些經(jīng)典的科幻作品和其中的形象，比如《終結(jié)者》里能夠如流水般滲透，并且在中槍之后進(jìn)行自我修復(fù)的液態(tài)金屬機(jī)器人。他也著迷于其他一些科幻小說(shuō)中對(duì)于非碳基生命的描寫。這說(shuō)明，無(wú)論是科幻作家的暢想，還是科技界嚴(yán)肅的研究，都在不斷傾向于接受一種觀念：生命完全有可能以我們意想不到的形式存在。

對(duì)非碳基生命的假想，在科技界早已有之。比如說(shuō)，早在1891年，歐洲天文學(xué)界就已經(jīng)在探討以硅為基礎(chǔ)的生命的可能性。這是因?yàn)椋柙卦谟钪嬷蟹植紡V泛。而且，在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的許多基本性質(zhì)都相似。舉例而言，正如同碳能和四個(gè)氫原子化合形成甲烷（CH4），硅也能同樣地形成硅烷（SiH4）；硅酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯硅烷（HSiCl3）則是三氯甲烷（CHCl3）的類似物，等等。不僅如此，硅化合物的熱穩(wěn)定性，會(huì)使以其為基礎(chǔ)的生命可以在高溫下生存。

而在科幻作品中，硅基生命形象也不勝枚舉。20世紀(jì)初的美國(guó)科幻作家，不幸英年早逝的斯坦利·格魯曼·威爾伯姆，在其代表作《火星奧德賽》中，描述了一種壽命長(zhǎng)達(dá)100萬(wàn)年的硅基生命。它每10分鐘“呼吸”一次，排出一塊二氧化硅，就像人類呼吸會(huì)吐出二氧化碳一樣。但由于二氧化硅是固體，這種硅基生命會(huì)漸漸地被自己排出的廢物埋起來(lái)，而后才會(huì)破開身邊的二氧化硅，挪個(gè)地方“重新開始”。在中國(guó)，著名科幻作家王晉康在《水星播種》和《沙漠蚯蚓》等作品中，對(duì)硅基生命的描寫也頗為傳神。

除了“硅基生命”，出現(xiàn)在科幻作品中的非碳基生命還有很多。以氨取代水形成的“氨基生命”，也為科學(xué)界所關(guān)注。這是因?yàn)?，（液態(tài)）氨的一些性質(zhì)與水類似，比如甲醇（CH3OH）和甲胺（CH3NH2）這兩種化合物是類似物。因此，在某些特定條件下，有可能以氨為基礎(chǔ)，建立起一系列復(fù)雜化合物的對(duì)應(yīng)體系，比如蛋白質(zhì)和核酸的對(duì)應(yīng)物質(zhì)，最終發(fā)展出氨基生命。

當(dāng)人們從有機(jī)物的相似物角度思考非碳基生命可能形式的時(shí)候，材料科學(xué)的進(jìn)展，讓一些化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了某些金屬化合物或合金具有的類似生命的性質(zhì)。除了鎵基液態(tài)合金，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的化學(xué)家李·克羅寧等人，就曾以鎢和其他金屬原子、氧、磷結(jié)合形成的多金屬氧酸鹽，制造出了類似于細(xì)胞的氣泡，并賦予它們一些類似生命的特征。這些無(wú)機(jī)材料表現(xiàn)出來(lái)的獨(dú)特性質(zhì)，蘊(yùn)含著耐人尋味的奧秘。

在很多科幻小說(shuō)和影視、游戲作品中，都有“賽博格人”（人機(jī)結(jié)合體、半機(jī)器人）角色出現(xiàn)，而這一群體所依賴的技術(shù)，也令劉靜教授關(guān)注和著迷。比如，在電影《星球大戰(zhàn)》系列里，絕地武士阿納金·天行者和盧克·天行者都有過(guò)被敵人斬?cái)嗍直鄣慕?jīng)歷，而后安裝了能夠與身體接駁的精密機(jī)械手臂繼續(xù)作戰(zhàn)。

而劉靜教授等人研究的鎵基液態(tài)合金，不僅有著酷似動(dòng)物的活動(dòng)模式，還具有其他一些有趣的性質(zhì)，比如獨(dú)特的醫(yī)學(xué)價(jià)值。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)外科手術(shù)，人們可以用液態(tài)金屬材料接駁被切斷的神經(jīng)，從而將斷開的神經(jīng)信號(hào)重新連接。這是因?yàn)榻饘偈菍?dǎo)體，而動(dòng)物的神經(jīng)活動(dòng)，本質(zhì)上傳遞的是電信號(hào)。

在日常生活和軍事行動(dòng)中，因?yàn)槭軅麑?dǎo)致身體某一部分神經(jīng)被切斷的情況并不罕見。對(duì)于這樣的病例，液態(tài)金屬提供了一種修復(fù)神經(jīng)的可能性，使傷員不至于因?yàn)樯窠?jīng)受損而癱瘓。不僅如此，液態(tài)金屬還有可能成為“人機(jī)接駁”的“橋梁”，或者說(shuō)銜接傳統(tǒng)意義上的生命體與非生命體。

而在現(xiàn)實(shí)生活中，一些實(shí)現(xiàn)人機(jī)接駁的手段，也會(huì)為醫(yī)學(xué)界所用，以療救重癥傷患。比如，以提取腦電波來(lái)推斷殘疾人意圖，并據(jù)此進(jìn)行動(dòng)作的假肢已經(jīng)出現(xiàn)；如果能實(shí)現(xiàn)假肢與人體神經(jīng)的直接、高效而穩(wěn)定的連接，那么假肢就會(huì)真正成為人體的一部分。

如今，隨著國(guó)內(nèi)外科學(xué)界對(duì)鎵基液態(tài)合金研究的深入，液態(tài)金屬有可能為生命“升級(jí)”，讓現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)越來(lái)越多的“賽博格人”。

作為一大類新興的功能材料，液態(tài)金屬為若干科學(xué)與技術(shù)探索提供了豐富的研究空間。雖然目前“液態(tài)金屬動(dòng)物”和“終結(jié)者”仍有很大距離，但劉靜教授團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)在這條道路上不斷探索下去，新的發(fā)現(xiàn)和成果指日可待。