以适当方式在液态镓中混入填料，可制造出各种功能性复合材料。 图片来自pixabay.com
镓（Gallium）是一种关键元素，因为它是制造半导体和晶体管必需的材料。氮化镓和相关化合物的合成，让人类发现了蓝色发光二极管（BLED）。据估计，半导体和电子工业对镓的需求量高达98%。
除电子学应用，镓独特的物理特性还让它有望在其它领域大展拳脚。镓是一种熔点很低的金属，在略高于室温时，镓是液体。此外，镓能够与其他金属形成几种共晶体系统（熔点比其任何成分都低的合金）。纯镓和镓基液态金属合金均具有很高的表面张力，在大多数表面上是“不可展开的”。因此，这类材料的加工处理难度非常高，导致它们无法充分发挥自身潜力。
eurekalert.org网站近日报道，韩国多维碳材料中心（CMCM）、基础科学研究所（IBS）和国家科学技术研究所（UNIST）的科学家创新性地将填料粒子融入液态镓中，制造了镓系功能复合材料。
根据填料添加量的不同，材料能够从液态转变成糊状或腻子状（类似于商业产品“橡皮泥”）。以氧化石墨烯（G-O）作为填充材料，当G-O含量为1.6~1.8%时，复合材料为糊状；而当G-O含量为3.6%时，复合材料将转变为腻子状。相关研究成果刊登在《科学进展》杂志中。
在液态镓中混入填料会改变材料的物理性质，使处理操作变得更加简单。
论文作者Chunhui Wang指出：“膏状或腻子状的镓系复合材料的处理难度较低。它不仅可以被涂覆到几乎任何表面上，还能被捏成各种形状。这为镓的应用开辟了全新可能性。”
这一发现的潜在应用包括可穿戴设备和医疗植入物等。值得注意的是，这种复合材料还能够被制成具有极高耐热性的多孔泡沫状材料。
论文作者Benjamin Cunning表示，填料能够与液态镓混合的原因在于，液态镓暴露在空气中时，会形成一层具有弹性的氧化物“皮肤”，这层皮肤覆盖在填料粒子上，使其稳定存在。此外，稳定混合物的形成与填料粒子的尺寸也有关系。
研究人员在项目中分析了还原氧化石墨烯（rG-O）、碳化硅、金刚石和石墨等填料对复合材料的影响。其中，加入rG-O的复合材料表现出良好的电磁干扰（EMI）屏蔽效果——在rG-O薄膜上涂上13微米厚的Ga/rG-O复合材料，可将薄膜的屏蔽效率从20 dB提高到75 dB，这完全能够满足商业应用（>30 dB）和军事应用（>60 dB）的需求。此外，这种复合材料还能够为任何常用材料提供电磁干扰屏蔽性能。
研究人员证实，在纸张上涂覆20微米厚的Ga/rG-O涂层，将产生超过70分贝的屏蔽效率。在液态镓中加入金刚石颗粒能够显著提升复合材料的热性能。研究人员发现，含金刚石的复合材料的体导热系数高达110 W? m-1? K-1，超出市售热浆料（79 W?m-1?K-1）近50%。而且，填充颗粒粒径越大，导热系数越高。
CMCM主任Rod Ruoff教授总结道：“我们将各种各样的粒子整合到了液态镓中，对粒子尺寸对混合效果的影响有了基本认识。相关发现可以衍生至铟镓、锡镓和铟锡镓等液态镓合金。我希望这些工作能够为探索新型功能性填料提供借鉴。”
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编译：德克斯特
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《科学进展》
期刊编号：2375-2548
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-01/ifbs-pco121720.php
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