液體金屬打開新世界大門

幾十年前，人們常用的體溫計(jì)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(jì)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(jì)，也許能遇上我們今天的主角——鎵。

鎵是化學(xué)史上第一個(gè)先由理論預(yù)言，而后在自然界中被發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證的化學(xué)元素。

1871年，編制了世界上第一張?jiān)刂芷诒淼亩韲瘜W(xué)家門捷列夫根據(jù)他總結(jié)的元素周期規(guī)律，提出了一個(gè)預(yù)測：自然界中存在一種原子量大約是68，密度為5.9g/cm，性質(zhì)與鋁相似的元素，它應(yīng)被排列在元素周期表中鋁元素的下方。

門捷列夫的這一預(yù)測，在1875年被法國化學(xué)家布瓦博得朗證實(shí)了。他在觀察從閃鋅礦礦石中提取的鋅的原子光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一條新的紫色色帶，他意識到，這條色帶對應(yīng)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(zhì)確實(shí)與鋁相似。這個(gè)元素被布瓦博得朗以祖國法國的曾用名“高盧”冠名——鎵。

《終結(jié)者2》里可以隨意改變形狀的機(jī)器人殺手

鎵在自然界中隱藏很深，熔點(diǎn)僅有29.78℃，沸點(diǎn)卻高達(dá)2403℃，因此它多數(shù)時(shí)候都以液體的形態(tài)在各類元素中四處“游蕩”，而很少以獨(dú)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(xué)家們高溫灼燒礦石時(shí)，它才會以化合物的形式揮發(fā)出來，還要經(jīng)過多種提純手段精煉才能得到純粹的鎵單質(zhì)。如果沒有門捷列夫的預(yù)言，也許鎵的真面目還不能那么快被揭開。

科幻片《終結(jié)者2》里，出現(xiàn)過一個(gè)神通廣大的機(jī)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(wù)，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(shí)中人們也能造出這樣一個(gè)機(jī)器人，那么鎵是科學(xué)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(gè)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種可進(jìn)行自我修復(fù)的變形液態(tài)金屬，距離打造變形機(jī)器人的目標(biāo)更進(jìn)一步。

科學(xué)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(gè)幾乎完美的圓球。但是，合金對電流很敏感，當(dāng)通過少量電流時(shí)，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(gè)球。更改電壓大小還可以調(diào)整金屬表面張力和金屬塊黏度，從而令其變?yōu)椴煌Y(jié)構(gòu)。這樣的話，只需要改變電流，制造一個(gè)可變形的機(jī)器人就不再是幻想了。

這個(gè)變形機(jī)器人還可以自主“進(jìn)食”和運(yùn)動。2015年，中國中科院和清華大學(xué)的聯(lián)合研究小組研發(fā)出世界首個(gè)自主運(yùn)動的可變形液態(tài)金屬機(jī)器人：當(dāng)將鎵基液態(tài)合金置于電解液中時(shí)，它可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)顯示，一小片鋁即可驅(qū)動直徑約5毫米的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長達(dá)1個(gè)多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動，速度高達(dá)每秒5厘米。

液體機(jī)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(fù)擔(dān)，因此科學(xué)家們暫時(shí)還沒有制造液體機(jī)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(jī)、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(chǎn)物。而芯片的出現(xiàn)離不開半導(dǎo)體。半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)電性會發(fā)生相應(yīng)的變化。正是因?yàn)榫哂羞@樣的特性，半導(dǎo)體才能實(shí)現(xiàn)可控導(dǎo)電和通信等功能。

人們用以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)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(gè)IT產(chǎn)業(yè)的飛躍。然而，盡管硅擁有很多優(yōu)越的電子特性，但經(jīng)過幾十年的發(fā)展，這些特性已經(jīng)快被用到極限，科學(xué)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(dǎo)體材料，以制造未來的電子設(shè)備。這時(shí)候，化合物半導(dǎo)體進(jìn)入了科學(xué)家的視野。

化合物半導(dǎo)體是指由兩種或兩種以上元素形成的化合物，它具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。1928年，科學(xué)家用2000多度的高溫和近萬個(gè)大氣壓的苛刻條件將金屬鎵和氮?dú)夂铣蔀橐环N新的化合物半導(dǎo)體材料——氮化鎵。當(dāng)時(shí)的他們沒有想到，在經(jīng)歷了將近一個(gè)世紀(jì)不溫不火的狀態(tài)后，今天，氮化鎵這種半導(dǎo)體材料煥發(fā)出了新的生機(jī)。

與硅基半導(dǎo)體相比，氮化鎵變成導(dǎo)體需要更大的能量：硅材料的電子連成導(dǎo)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(zhuǎn)換效率，在相同的電力供應(yīng)下，它能實(shí)現(xiàn)比硅基芯片更強(qiáng)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(chǎn)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(yīng)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(shù)封鎖的絕佳武器，因?yàn)榕c落后兩三代的硅基芯片相比，氮化鎵芯片產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)都處于起步階段，中國在氮化鎵芯片技術(shù)上與發(fā)達(dá)國家并駕齊驅(qū)。

未來，氮化鎵芯片將在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域全面開花，液態(tài)金屬鎵將從方方面面改變?nèi)藗兊纳睢?/p>