刘静：“液态金属”传奇的缔造者

文/本刊记者 郝志舟

刘静：“液态金属”传奇的缔造者

文/本刊记者 郝志舟

“聪明人太多了”，而他则相信1万小时定律——1万小时的锤炼是任何人从平凡变成超凡的必要条件。

1871年，俄国化学家门捷列夫以他的元素周期律，预测了一种叫做“镓”的元素的存在，称之为“eka-aluminium”，意思是“铝下元素”（即铝下一行的元素）。四年之后，法国的布瓦博得朗提取并提纯了这种新的金属，确认了它的存在。固态的镓非常柔软，熔点只有29.78℃，因此置于手心即会熔化成液态。

百余年过去了，这个宝贵的“大自然对我们的馈赠”仍然游离在大众的视野之外。2015年3月，当清华大学医学院教授、中科院理化技术研究所双聘研究员刘静带领的科研团队在Advanced Materials杂志上发表了他们关于镓铟液态金属自驱动机器的论文而在国内外引起巨大反响时，很多行业外的人仍然表示“难以置信”，因为在他们的印象里，液态金属似乎只有水银一种——这没什么稀奇的。

横空出世的“终结者”：偶然与必然

置于电解液中的镓基液态合金在“吞食”了一个小铝片之后发生了“强烈”的反应，不靠任何外界驱动力，以金属球的模式进行了长达1个多小时的“长跑”。在网上传出的那段视频中，这个小家伙既能在自由空间里到处溜达，又能在不同的管道槽中变形前进，宛如“活物”……

那天，清华大学生物医学工程系二年级博士生张洁与往常一样，按照导师刘静的指导计划，在实验室里进行“液态金属连接神经信号传导”研究。这个实验的主要内容是将液态的镓铟锡合金涂抹在牛蛙断了的坐骨神经之间，测试其遭受刺激时所产生的电信号传递情况。

当她在不经意间用电极触碰到牛蛙断裂神经之间的液态金属上时，原本像是一条线的液态金属忽然受惊似的收缩成了一个球。电流对于液态金属居然有这样的刺激作用！这在以前是不为人所知的。

这个现象启发了他们对于液态金属在电场作用下的运动机制进行了深入的研究。在刘静教授的指导下，实验室获得了一系列重要发现，相应论文以封面文章形式发表于Advanced Materials，并产生重要反响；此后，实验室再接再厉，又启动了液态金属可逆变形效应研究。半年后研究小组再度将系列新发现整理成文，投递给知名学术期刊《美国科学院院刊》。然而，令人遗憾的是，由于评审时间过长，这一成果被美国北卡莱罗纳大学的一个科研团队抢先发表。

“科学研究的结果是‘物以稀为贵’，因为同一个规律，你只能发现一次”。所以按照惯例，谁先发现，这个知识产权就归谁所有。

但是，该是你的就一定是你的，跑不了。

不久之后，幸运之神再次光顾了这个实验室。在随后的另外一次实验中，张洁没有按照常规使用玻璃棒，而是就地取材，随手用一张铝箔卷成小棍去剔除液态金属表面的氧化物。就在这刹那间，她发现，被铝“点化”过后的液态金属微小液滴上出现了令人匪夷所思的自旋转现象。

原来，镓铟液态合金、金属铝及电解液间产生的原电池反应会形成内生电场，从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，出现“马兰哥尼”对流现象（表面张力在液体界面引起一个表面张力梯度，使液体发生流动），继而对易于变形的液态金属造成推力。这种自发性的运动，使得液态金属球像一个小马达一样“亢奋”，即使人为设障阻挡其前进，仍然可以看到其内部有令人惊讶的“大回环”运动。

能“吃”食物（燃料），自主运动，还可以变形，具备一定代谢功能（化学反应）——刘静他们在论文中将这个奇特的小东西命名为“仿生型液态金属软体动物”。

论文发表之后，短时间内就在世界范围内引起了众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的高度重视。有的媒体不无夸张地将这个科学发现与电影《终结者》扯上了关系，令相当多“不明真相”的读者以为电影里那位打不死的机器人“终结者”原型即将出现了……刘静和他的团队就这样不经意间走入了大众的视野。

尽管这个令世人瞩目的机器“动物”的诞生具有很大的偶然性，但是刘静说，科学发现的“偶然”是建立在大量基础研究的积累上的，看似偶然，实则必然。就像两个原本不相干的研究，如同平行线一样各自进行，但是越走越近，终于在某一个“偶然”的十字路口相遇，绽放出耀眼的火花。

而为了追寻这个偶然，他从十余年前就开始“动身”了。

从“燃气轮机”出发的科学“大拿”

1984年，刘静从云南小城宣威出发，以全县第一的成绩考入云南省重点高中曲靖一中，三年后考入清华大学。“发挥得不是太理想”，对自己要求“甚严”的刘静说起当年的成绩很有些遗憾，“尽管这样，还是考上了清华”，他又不免有些小小的骄傲。

面对记者时，刘静语速极快且时有跳跃，显示着他时刻高速运转着的大脑。但是他并不认为自己是个“聪明人”，他说，世界上比他聪明的人太多太多了，他只是比较勤奋。

相对于当时很热门的计算机、电子等专业，热能工程系的“燃气轮机”显然是个不被外人所知的冷门专业。但得益于系内一批杰出教师的教导和指点，在清华燃气轮机这个既重实践又强调理论的工科专业中，刘静打下极为扎实的数理基础。本科时期的刘静还同时选修了现代应用物理专业作为第二学位，两个专业的课业都很重，考试时有时一天要考“三门”。1992年，本科毕业的刘静成为当时清华大学第二届直博生，在导师建议下专攻生物传热学。

二十多年后提起当时的选择，他不禁要感慨命运对他的垂青。拿下燃气轮机专业工学士和现代应用物理专业理学士两个学位后直读博士，毕业后留校任教，之后在美国普度大学读博士后，在麻省理工学院做高级访问学者，1998年入选中科院“百人计划”，1999年6月回国创建理化技术研究所低温生物与医学实验室，2003年获得国家杰出青年科学基金资助，2006年11月起被聘为清华大学医学院生物医学工程系双聘教授，2014年成为获得国际传热界最高奖项——威廉·伯格奖的首位中国科学家，其大会主题报告被评定为对热科学及工程学具有深远影响，被颁奖委员会誉为“主题报告中的主题报告”……

这一切成绩的取得，大抵都离不开“勤奋”二字。回忆当初，刘静的科研道路几乎都是从零开始，白手起家、埋头苦干。从燃气轮机转向生物传热学方向时，他从零开始，用了不到三年半时间便完成了博士论文。留校之初，所开设的生物传热学课程没有现成教材，他决定自己编写。但是科研条件简陋，经费几乎为零，曾经一度在半年内他没有电脑可用。在这种状况下编写出来的《生物传热学》，此后却成为该领域的基础文献。

从国外回到中科院理化所时面临的同样是全新领域的低温工程学，一切仍然是从零开始。首先启动的肿瘤微创高低温复式治疗设备“康博刀”研发工作，从原理到样机，再到临床实验投入市场，时长跨越十余年。曾经一度他们的账面上只有5万块钱，“实验室几乎难以为继”。

刘静将目光转回他传热学的老本行。这一次，“液态金属”这个几乎被全世界忽略的领域为他带来了灵感：“如果用它来为芯片降温冷却会怎样？”

在研究之初，刘静很难找到相关的文献资料，一切又是从头开始。于是，围绕高端芯片严重受制于“热障”的世界性难题，刘静大胆设想、小心求证，突破性地提出了有重大原始创新性的室温液态金属热管理方法——利用液态金属极佳的散热性能开发液态金属芯片散热技术。相比传统的风扇和水冷模式，液态金属无需额外提供动力，冷却效率极高。且体积小巧，甚至在一些技术方案中仅靠固、液之间的物相转化就能达到高效吸热、放热的目的。

“液态金属”为刘静打开了创新的大门。在带领团队经过10多年系统深入的探索之后，一项又一项理论突破、基础发现和技术发明接连不断地在他的实验室诞生：液态金属芯片冷却技术、世界首台液态金属个人电子电路打印机、首台室温金属3D打印机、首台可在各种表面印制电路的普适性液态金属喷墨打印机、液态金属神经连接与修复技术、液态金属血管造影术……他和“小伙伴”们的研究，早已登临国际领先的前沿。

“液态金属”与万众创新

相对于刘静实验室里丰富的“液态金属”研究成果，刚刚被大众熟知的小小“终结者”只是其中的冰山一角。刘静说，“液态金属”的科研空间巨大。

比如，基于液态金属制成的人体外骨骼柔性关节。在“没有任务”的时候，金属吸热熔化并处于液态，柔性程度高，人体穿戴舒适感好、行动自如。一旦需要执行高强度任务，关节内的液态金属会在半导体制冷器作用下快速固化变硬，机械关节切换至刚性固体状态，对人体形成有效支撑，可以承受巨大的拉伸或压力，甚至阻挡子弹等外界潜在损伤——好比小罗伯特·唐尼在科幻影片《钢铁侠》中所穿着的金属盔甲一般。

2014年10月，由刘静带领的清华大学医学院、中科院理化技术研究所联合研究小组在人体受损骨骼的修复上取得了新的突破。他们提出了低熔点液态合金骨水泥技术，创造性地将“液态金属”引入到骨修复领域。修复的过程就好似美国科幻影片《金刚狼》那样，用注射器将新型的液态合金骨水泥“灌注”入需要修复的人体部位并在其中固化，帮助人体骨骼修复。合金骨水泥固液态转换灵活，骨骼痊愈后通过加热就可以将其转变为液态金属吸出，安全方便。

“终结者”、“钢铁侠”、“金刚狼”，好莱坞科幻大片里的主要硬派角色，都相继成为刘静“手下”的技术形象代言人。

而刘静实验室里具有实际意义的创新远不止于此。

在参观其实验室时，刘教授随手拽出一张透明的PVC薄膜递了过来，上面是打印出来的金属电路，银色的线条闪耀着璀璨的光芒。

这是刘静及其团队基于数年前建立的一种全新原理的室温液态金属打印方法上取得的成果，他将这种液态金属印刷电子技术称为DREAM Ink，即梦之墨。根据这种方法制造的世界首台全自动液态金属电子电路打印机，以及可在各种表面制造电路的液态金属喷墨打印机，打破了个人电子制造的技术瓶颈和壁垒，使得在极低成本下快速、随意地制作电子电路成为现实。

而让刘静喜爱的还有一台液态金属3D打印机，可以在室温下制造金属构件。“这台机器也是世界首台，全部是我们自己研发制造，”刘静指着随意摆放在试验台上的一台不起眼的四方“疙瘩”说，“现在我们是从网络上下载软件，将来这种制造功能器件的打印机普及了，人们就可以直接下载硬件。”

这也许意味着，将来的某一天，类似于手机这样的数码产品无须再经“富士康”这类劳动力密集企业组装，用户按下打印机的按钮就可以从相关厂商的网站上直接“下载”手机使用。

“李克强总理提出，要在中国形成‘万众创新’、‘人人创新’的新形态。而我们开发出的这种技术，就是希望能为‘万众创新’提供一些基础工具。”刘静很有把握地说，“个性化的创新是国家的财富，而液态金属3D打印技术将为这种创新提供支撑。”

永远在路上

刘静很忙。见到记者时，他还为没来得及整理的办公室里的凌乱有些不安，一个劲儿地说着抱歉。在他的办公室里有一台刀片散热机柜，占据了办公桌后的大片地盘，使得小小的办公室更加局促。旁边的玻璃柜内则陈列着大大小小的液态金属散热器,那是他的杰作，相对于过去的散热装备来说体积更小、功能更强。“实验室紧巴巴的找不到地方放，我的办公室就权作仓库了”。而其他的发明产品则随意地摆放在玻璃柜里，玻璃柜的下面几层塞满了各式的奖牌和证书，多数都是“排名第一”的获奖。而荣誉对于一个勤奋的科学家来讲，只是一堆努力之余的“副产品”罢了。

像清华大学里多数忙碌的学者一样，除了披星戴月地搞科研，他还需要讲课和指导学生，忙忙碌碌无法停歇。“比如这个，就是在路上准备的”，他指着桌上一张叠起来的纸欲言又止，有些不好意思。那上面是他在学生名单的空隙处手写的对不同课题内容的构思，都是利用零碎时间思索，记录下来便于因材施教。

而同样在路上的还有对于新知的学习。他经常在身边带着不同的书籍，一有时间就读，“学习永远在路上”，他笑着说。永远准备着“求学”，也经常忙到只有在路上才有时间“学”。

还是那句话，“聪明人太多了”，而他则相信1万小时定律——1万小时的锤炼是任何人从平凡变成超凡的必要条件。

聪明而又勤奋，想不成功都难。