中國科學(xué)院前瞻性評述文章登上Cell頭條

編譯丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

近日，來自中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所/中國科學(xué)院大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院一篇文章登上了Cell Press官網(wǎng)頭條。

該文章以：Liquid metals for the booming of space exploration 為題，于近日發(fā)表在了 Cell 新子刊Cell Press Blue上，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜研究員、張旭東研究員為共同通訊作者，史佳豪為第一作者。

該文章系統(tǒng)構(gòu)畫了液態(tài)金屬太空科技全景，深度解析了液態(tài)金屬從本征屬性到新興功能面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，涵蓋能源系統(tǒng)、深空推進(jìn)、太空熱管理、柔性電子、電磁屏蔽、可重構(gòu)機(jī)器人、在軌制造、生命保障及空間光學(xué)等方向。該文章還闡釋了利用太空微重力環(huán)境作為天然實(shí)驗(yàn)室，揭秘液態(tài)金屬界面物理化學(xué)超?，F(xiàn)象的獨(dú)特價(jià)值——相應(yīng)研究不僅將推動(dòng)流體力學(xué)、界面科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，更有望為微重力下多場耦合理論的構(gòu)建提供關(guān)鍵支撐。文章指出，液態(tài)金屬不僅是適配太空極端環(huán)境的通用功能材料，更是賦能未來宇航探索事業(yè)繁榮發(fā)展的重要載體。

液態(tài)金屬（Liquid Metal，LM）正成為解決太空探索中諸多極端技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵所在。太空獨(dú)特的微重力和真空環(huán)境也帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也是一個(gè)前所未有的實(shí)驗(yàn)室，用于探索未知科學(xué)。

該文章概述了液態(tài)金屬在太空探索中的基本原理和實(shí)際問題，并展望了其未來機(jī)遇，重點(diǎn)關(guān)注其在能源系統(tǒng)、深空推進(jìn)、太空熱管理、柔性電子、可重構(gòu)機(jī)器人、增材制造、生命支持系統(tǒng)和空間光學(xué)等方面的作用。除了實(shí)際工程應(yīng)用，該文章還進(jìn)一步闡述了利用太空環(huán)境作為獨(dú)特且不可或缺的平臺(tái)來探究不受重力限制的液態(tài)金屬界面物理和化學(xué)的潛力。對揭示與微重力相關(guān)的自組織現(xiàn)象以及豐富基礎(chǔ)突破的前景進(jìn)行了闡釋?？傮w而言，這些見解確立了液態(tài)金屬不僅是通用材料，也是未來太空科學(xué)與技術(shù)蓬勃發(fā)展的變革性推動(dòng)因素。

在永無止境的好奇心和開發(fā)外星資源的強(qiáng)烈愿望的驅(qū)使下，人類正從一個(gè)地球文明向太空文明轉(zhuǎn)變。自“斯普特尼克 1 號(hào)”（前蘇聯(lián)于 1957 年 10 月 4 日發(fā)射的人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星，標(biāo)志著人類航天時(shí)代的正式開啟）發(fā)射以來，人類的足跡穩(wěn)步向近地空間、空間站和月球延伸，活動(dòng)也愈發(fā)頻繁。在過去的七十年多里，近地空間技術(shù)逐漸成熟，呈現(xiàn)出商業(yè)化、多任務(wù)能力和成本降低的特點(diǎn)，比如太空互聯(lián)網(wǎng)、太空旅游、太空數(shù)據(jù)中心和軌道太陽能電站等實(shí)踐。相比之下，深空探測技術(shù)仍處于發(fā)展階段，主要由國家主導(dǎo)，重點(diǎn)在于載人登月任務(wù)、太陽系行星探索和空間望遠(yuǎn)鏡。目前，商業(yè)航天企業(yè)和深空探測是航天技術(shù)的主要推動(dòng)力。

這些進(jìn)步的核心在于材料科學(xué)，它在歷史上一直決定著航天任務(wù)的可行性。例如，減輕重量的碳纖維復(fù)合材料有助于降低發(fā)射成本，而石蠟相變材料（PCM）則提高了熱調(diào)節(jié)能力。相反，航天技術(shù)的進(jìn)步也推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展，比如研究微重力下的金屬凝固以及氣液兩相流的熱傳遞特性。在商業(yè)航天活動(dòng)和深空探索的需求驅(qū)動(dòng)下，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，包括動(dòng)力推進(jìn)、輻射防護(hù)、電子通信、醫(yī)療保障和遠(yuǎn)程維護(hù)。因此，迫切需要開發(fā)和部署更多樣化的航天材料，以滿足日益極端的溫度、更遠(yuǎn)的距離和更長時(shí)間任務(wù)的迫切需求。

在眾多選擇中，室溫液態(tài)金屬（RTLM）是一大類熔點(diǎn)接近室溫的金屬以及合金，主要包括汞、鈉、鈉鉀合金、鎵以及鎵基和鉍基合金。這類材料具有出色的性能，如高熱/電導(dǎo)率、優(yōu)異的流動(dòng)性，尤其是高界面張力，這賦予了它們在眾多領(lǐng)域中應(yīng)用的巨大潛力。在室溫液態(tài)金屬中，汞最為人所知，但其高毒性和易揮發(fā)性對人類健康和環(huán)境構(gòu)成重大威脅，大規(guī)模應(yīng)用極具挑戰(zhàn)性，而鈉和鈉鉀合金則具有很強(qiáng)的反應(yīng)性，會(huì)與水、氧和二氧化碳發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，其固有的化學(xué)不穩(wěn)定性嚴(yán)重限制了應(yīng)用范圍。近年來，鎵基和鉍基液態(tài)金屬作為有前景的替代品嶄露頭角，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，這主要得益于它們出色的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性。因此，這類液態(tài)金屬引發(fā)了爆發(fā)性的研究興趣，推動(dòng)了非傳統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用探索。憑借其獨(dú)特的特性和性能，液態(tài)金屬已被廣泛應(yīng)用于眾多不同領(lǐng)域，例如能源推進(jìn)、熱管理、柔性電子、電磁屏蔽、生物醫(yī)療保健、傳感與驅(qū)動(dòng)以及增材制造。此外，與化學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)和光學(xué)的跨學(xué)科融合揭示了液態(tài)金屬的眾多界面現(xiàn)象。這些現(xiàn)象不僅加深了對液態(tài)金屬物理和化學(xué)行為的基本理解，還為設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的功能材料和器件開辟了新途徑。

太陽系的物理環(huán)境從中心恒星到近地天體呈現(xiàn)出不同的特征，環(huán)境條件極端炎熱或寒冷，溫度范圍相當(dāng)寬廣，氣壓低，溫度低。在太陽表面，溫度高達(dá) 5778 開爾文，重力加速度為 274 米/秒2，接近絕對真空。像鎵基和鉍基合金這樣的液態(tài)金屬，其沸點(diǎn)在 900-2700 開爾文之間，能夠承受極端高溫。它們在室溫下的飽和蒸氣壓很低，有效防止了真空蒸發(fā)，為太空核動(dòng)力系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。水星的極端條件，晝夜溫差達(dá) 368 開爾文，氣壓極低，處于無氧真空狀態(tài)，消除了液態(tài)金屬氧化降解的擔(dān)憂。無需額外的抗氧化涂層。結(jié)合其寬泛的溫度流動(dòng)性，它們支持航天器在晝夜周期中熱管理的穩(wěn)定運(yùn)行。金星表面溫度為 737 開爾文，氣壓為 9.2×10? 帕，帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。液態(tài)金屬通過其流體特性適應(yīng)高壓變形，使其成為著陸器密封部件和熱傳導(dǎo)介質(zhì)的理想選擇。月球環(huán)境具有高真空度、晝夜溫差在 100-390 開爾文之間以及無氧的大氣環(huán)境?；鹦堑臏囟确秶?134-293 開爾文之間，大氣壓力低且無氧。液態(tài)金屬消除了抗氧化結(jié)構(gòu)的需求。與傳統(tǒng)流體相比，其較大的表面張力可防止泄漏，低熔點(diǎn)確保低溫流動(dòng)性，無氧環(huán)境避免氧化雜質(zhì)堵塞電路。此類材料可用于火星探測器土壤分析儀的對流冷卻，并與相變材料結(jié)合，為月球基地提供高效的熱能儲(chǔ)存。

除了應(yīng)用技術(shù)之外，液態(tài)金屬在前沿天體物理學(xué)探索中也愈發(fā)重要。它們獨(dú)特的高密度、強(qiáng)導(dǎo)電性和可調(diào)流體動(dòng)力學(xué)特性，使其成為下一代引力波探測器和用于探測極端環(huán)境（例如黑洞相關(guān)環(huán)境）的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有希望的候選材料。其重要性還延伸至地球物理學(xué)領(lǐng)域：地球的液態(tài)金屬外核驅(qū)動(dòng)著地磁場，而對液態(tài)金屬的實(shí)驗(yàn)室研究為磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）原理提供了難得的實(shí)證途徑，這一框架將天體物理等離子體和地球發(fā)電機(jī)過程聯(lián)系起來。綜合來看，這些觀點(diǎn)表明液態(tài)金屬不僅是功能材料，也是揭開可能塑造行星演化和宇宙現(xiàn)象的基本機(jī)制的不可或缺的工具。

盡管在地球上液態(tài)金屬取得了豐富的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和廣泛的應(yīng)用，但其在太空中的利用仍相對有限。早在 20 世紀(jì) 80 年代，液態(tài)金屬就被用作空間核動(dòng)力系統(tǒng)的傳熱流體；然而，迄今為止，尚未在其他航天相關(guān)領(lǐng)域開發(fā)出應(yīng)用。作為多功能材料，液態(tài)金屬有望在航天領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，涵蓋空間能源系統(tǒng)、推進(jìn)技術(shù)、熱管理解決方案、電子學(xué)、光學(xué)、機(jī)器人技術(shù)和生命支持系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。此外，太空中的極端條件，包括微重力、真空和劇烈的溫度變化，為研究液態(tài)金屬的界面現(xiàn)象提供了絕佳的平臺(tái)。這種獨(dú)特的環(huán)境有望揭示更多的科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，促進(jìn)對這類材料的基本理解和應(yīng)用。

這篇文章綜合了有關(guān)航空航天環(huán)境中室溫液態(tài)金屬（RTLM）的最新狀況和知識(shí)，重點(diǎn)闡釋了從獨(dú)特材料屬性到新興功能所帶來的機(jī)遇，以及所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。通過審視其在太空領(lǐng)域的潛在科技，旨在闡明液態(tài)金屬如何既能抓住機(jī)遇又能克服挑戰(zhàn)，在推動(dòng)和繁榮下一代太空探索方面發(fā)揮變革性作用。

從近地環(huán)境到遙遠(yuǎn)深邃宇宙的液態(tài)金屬太空探索

液態(tài)金屬與不同物質(zhì)的物理性質(zhì)比較

液態(tài)金屬能源技術(shù)在太空應(yīng)用的前景

液態(tài)金屬深空推進(jìn)前景

液態(tài)金屬助力空間熱管理的前景

液態(tài)金屬助力空間電子設(shè)備的發(fā)展前景

液態(tài)金屬機(jī)器與太空制造的前景

液態(tài)金屬生命支持技術(shù)的前景

重力和微重力條件下液態(tài)金屬的界面行為

液態(tài)金屬（LM）正成為解決太空探索中諸多極端技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵所在。太空獨(dú)特的微重力和真空環(huán)境也帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也是一個(gè)前所未有的實(shí)驗(yàn)室，用于探索未知科學(xué)。該文章概述了液態(tài)金屬在太空探索中的基本原理和實(shí)際問題，并展望了其未來機(jī)遇，重點(diǎn)關(guān)注其在能源系統(tǒng)、深空推進(jìn)、太空熱管理、柔性電子、可重構(gòu)機(jī)器、增材制造、生命支持系統(tǒng)和空間光學(xué)等方面的作用。除了實(shí)際工程應(yīng)用，該文章還進(jìn)一步闡述了利用太空環(huán)境作為獨(dú)特且不可或缺的平臺(tái)來探究不受重力限制的液態(tài)金屬界面物理和化學(xué)的潛力。對揭示與微重力相關(guān)的自組織現(xiàn)象以及豐富基礎(chǔ)突破的前景進(jìn)行了闡釋?？傮w而言，這些見解確立了液態(tài)金屬不僅是通用材料，也是未來太空科學(xué)與技術(shù)蓬勃發(fā)展的變革性推動(dòng)因素。

隨著人類向持續(xù)的月球、火星和深空任務(wù)邁進(jìn)，液態(tài)金屬（LM）正準(zhǔn)備從地面材料轉(zhuǎn)變?yōu)楹娇蘸教旒夹g(shù)。這代表著一個(gè)前沿領(lǐng)域，將重塑未來太空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。液態(tài)金屬的卓越特性直接應(yīng)對了極端太空環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，為能源供應(yīng)、推進(jìn)、熱控、先進(jìn)制造、微型反應(yīng)堆、材料合成、機(jī)器人技術(shù)、傳感器和醫(yī)療保障提供了有前景的途徑。太空本身也提供了一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室，以加深我們對液態(tài)金屬微重力科學(xué)的理解，并完善多領(lǐng)域理論框架。

盡管前景廣闊，但仍存在重大挑戰(zhàn)。材料兼容性問題、微重力環(huán)境下的長期穩(wěn)定性、精確控制界面行為以及在軌可擴(kuò)展制造等問題，應(yīng)通過結(jié)合地面實(shí)驗(yàn)、太空飛行演示和理論模擬的綜合研究來解決。這需要材料科學(xué)、航空航天工程、基礎(chǔ)物理和化學(xué)等跨學(xué)科的共同努力。全球科學(xué)家和工程師之間的合作將有助于降低科學(xué)發(fā)現(xiàn)的成本，從而推動(dòng)即將到來的月球材料時(shí)代的蓬勃發(fā)展。通過抓住機(jī)遇、克服挑戰(zhàn)，月球材料有望成為下一輪太空探索的關(guān)鍵材料，使遠(yuǎn)離地球的太空任務(wù)更安全、更高效、更具適應(yīng)性。

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