《Responsive Materials》：Responsive liquid metal materials towards unstructured environment
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本文系统评述了室温液态金属（RTLM）在动态、不可预测的非结构化环境（如体内、水下、开放自然环境、太空及高辐射环境）中的独特优势与应用前景。文章重点分析了RTLM凭借其高导电/导热性、流体变形性、可重构界面及自愈合能力，在传感、驱动、热管理和屏蔽等多功能实现中的潜力，并指出了界面控制、材料标准化及系统集成等未来挑战。
引言
随着先进材料研究从实验室走向实际应用，材料在复杂真实环境下的可靠性面临严峻挑战。非结构化环境具有动态、多变和不可预测的特点，温度、压力、化学组成等参数常超出设计范围。室温液态金属（RTLM）结合了金属的优异导电/导热性与流体的可变形性，展现出卓越的环境适应性。本综述聚焦于RTLM在非结构化环境下的材料系统，分析其物理化学特性如何支撑其在极端条件下的稳定运行。
非结构化环境下的材料要求
材料在非结构化环境中需具备环境因素的自适应性、自愈合与损伤容限、以及生物相容性与生态相容性。具体而言，材料需能识别并响应特定刺激，同时在无关扰动下保持稳定；需能在难以维护的场景下自主修复损伤；在生物或自然环境中应用时，必须确保生物安全性与环境友好性。
液态金属适用于非结构化环境的内在特性
RTLM（如镓、铟、锡、铋基合金）熔点低（通常<100°C），兼具高电导率（如GaIn24.5合金电阻率约29.41 μΩ cm）和高热导率（如纯镓达40.6 W/(m·K)）。其表面易形成氧化层（如Ga2O3），该层可调控界面粘附与稳定性。液态金属的流体特性使其具备固有自愈合能力，损伤后可恢复导电通路；其形态可经由外部刺激（如热、光、磁、电）实现可逆重构，为软体机器人和可重构器件提供了理想材料基础。
液态金属与其他材料的相容性
RTLM的高表面张力可能导致与其他材料的润湿性差。通过表面氧化、聚合物封装、化学修饰（如硫醇、硅烷偶联剂）及机械互锁等策略，可改善其与金属、陶瓷、聚合物等材料的界面结合，形成功能复合材料，扩展其在柔性电子、生物集成器件中的应用。
自愈合行为与可重构性
液态金属的流动性使其在受损后能通过内流重组恢复结构完整性。例如，镓基合金在切割后可自动愈合，保持导电连续性。其可重构性支持按需改变形状或功能，如在外场驱动下形成新电路或结构配置，适用于需长期可靠运行的软体机器人、自适应传感器等。
与生物及恶劣化学环境的相容性
镓、铟、锡、铋等RTLM主要元素总体生物相容性良好。镓化合物已用于医疗（如免疫抑制、骨病治疗）；铋广泛用于胃肠道药物。但需注意特定化合物（如氯化镓、可吸入铟颗粒）的潜在毒性。在环境中，这些元素迁移性低、不易生物富集，生态风险相对较小。RTLM的抗菌特性也为其在伤口敷料、植入式器件中的应用提供了可能。
体内应用
在生物医学领域，RTLM的可注射性、成像对比度（X射线、MRI）及电活性使其适用于肿瘤治疗（如栓塞疗法、药物递送）、神经修复和骨植入。液态金属纳米滴可通过相变诱导细胞毒性或形变控制药物释放；块体材料可用于血管栓塞、骨水泥填充等。微纳机器人还能在磁场引导下穿越生物屏障进行靶向治疗。
水下应用
水下环境对材料的耐压、耐腐蚀及动态稳定性要求高。RTLM可用于水下电子织物（E-textiles），集成应变/压力传感及电热加热功能；基于液态金属线圈的电磁驱动器可驱动软体机器鱼、水母实现高效推进；电化学调控表面氧化层还能实现水下可逆粘附与运动。
开放自然环境
在户外（如农业、环境监测），RTLM的柔韧性、自愈合及环境稳定性使其能制成柔性传感器，监测植物生理或环境变量（湿度、温度）。与可降解基底结合，可发展生态兼容的瞬态电子器件。其高导热性也适用于户外能量收集系统。
空间应用
太空环境的微重力、真空、极端温度起伏及强辐射对材料是极大考验。RTLM在太空应用中主要作为高效冷却剂（如核动力飞船反应堆冷却）、相变热防护材料。其流体特性便于研究微重力下流体行为，柔性电子与传感器形态可适应机械应变或微陨石撞击损伤，潜在用于辐射屏蔽。
高辐射环境应用
RTLM的高密度和高原子序数元素（如铋）有效吸收γ射线和X射线，优于传统铅屏蔽。其可结合柔性基质制成轻质、可弯曲的屏蔽复合材料，在核设施、太空任务中提供适配性防护。液态金属的流动性还使局部辐射损伤可能通过内部流动得到部分补偿，但长期辐照对其界面化学、氧化动力学的影响仍需深入研究。
结论与展望
RTLM是一类极具前景的响应性材料，能满足非结构化环境对适应性、韧性及长寿命的需求。未来研究需致力于合金设计、界面工程、标准化评估及规模化制备，同时深化其生物环境相互作用及降解机制理解，以推动其在真实复杂环境中可靠应用。与自主系统、软机器人融合，可能催生能实时反馈调整的下一代自适应材料系统。
