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科学家发现液态金属胞吞效应及呼吸获能现象等类生物学行为

2017-5-3 12:07| 发布者:

摘要:   近日,中国科学院理化技术学习所与清华大学联合小组,首次报道了室温液态金属如镓基合金液滴可在外加电场激励下吞噬微/纳尺度金属颗粒的现象,文章在线发表于尖端科学(Advanced Science)并被选作封面故事。  ...

  近日,中国科学院理化技术学习所与清华大学联合小组,首次报道了室温液态金属如镓基合金液滴可在外加电场激励下吞噬微/纳尺度金属颗粒的现象,文章在线发表于尖端科学(Advanced Science)并被选作封面故事。
  在这篇题为液态金属吞噬效应:金属间润湿触发的颗粒内化(Tang et al., Liquid metal phagocytosis: Intermetallic wetting induced particle internalization, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201700024, 2017)的论文中,学习人员发现,金属液滴可在溶液环境中借助电场或化学物质的激励作用将周围颗粒吞入体内,如同细胞生物学界的胞吞效应,效率极高,这一发现也因此开辟了一条构筑高性能纳米金属流体材料的快捷途径。
  众所周知,胞吞效应是生物界演化出的一种细胞吞噬外界颗粒的基本行为,普遍存在于从单细胞生物到各种高等级生物体系中。比如,变形虫可通过胞吞作用来获取营养物质,而高等生物则依靠巨噬细胞的吞噬作用来清理细胞残骸。在该项学习中,与外来物跨越细胞膜类似的是,颗粒进入液态金属内部的先决条件是必须克服同时存在于固/液两种金属相界面上的氧化膜的阻碍。对此,学习人员提出了三类激励机制以实现液态金属的胞吞作用,即:电阴极极化、辅助金属物极化及化学物质触发(图1)。文章分别揭示出在酸性、碱性和中性溶液环境中实现液态金属胞吞作用的规律。其中,通过外加电场产生阴极极化的方法具有快捷可控、易于操作等优点,因此也更具普适性。进一步学习还发现,支配液态金属胞吞现象的机制在于固/液两金属相之间的润湿作用,学习人员为此建立了旨在定量刻画固/液两金属相之间接触关系普遍规律的理论模型,较好地解释了实验结果,并估算出不同材料颗粒胞吞作用的能垒,进一步预测了有关颗粒材料的吞噬作用能否自发进行。文章同时还指出,金属间的反应性润湿是胞吞作用得以推进的另一关键因素。
  液态金属系列吞噬效应的发现,展示出了十分丰富的科学内涵,其同时对于规模化制备超级液态物质如极高导热率界面材料、高导电性电子墨水以及强磁性液态金属等尤具实际价值。一方面,该发现使得不同金属颗粒得以高效分散加载到液态金属相中去,由此可以按照设计需求来人为增强或改善液态金属的某些物理化学特性;另一方面,该效应也使得液态金属可通过结合特定微/纳米颗粒来获得全新属性。
  此外,在另一篇题为伽伐尼腐蚀电偶诱发的液态金属Marangoni流动的论文中(Tan et al., Galvanic corrosion couple-induced Marangoni flow of liquid metal, Soft Matter, 13: 2309-2314, 2017),学习小组揭示了液态金属由于与另一类金属接触所导致的表面流动的起因。通过测量液态金属的电势降落,引入电化学腐蚀理论,作者定量学习了Ga-Cu腐蚀电偶所诱发的液态金属Marangoni流动和界面剪切力的大小;并运用流体力学数值模拟验证了相应结论。学习还进一步发现,温度场会显著改变整个流场的分布。此项工作拓展了人们对液态金属界面流动的理论认识。
  在该小组稍早一些时候发表的一篇题为制造液态金属搏动心脏的呼吸获能机制的论文中(Yi et al., Breathing to harvest energy as a mechanism towards making a liquid metal beating heart, RSC Advances, 6: 94692-94698, 2016),学习小组发现,当把金属液滴局部浸没于碱性溶液、局部暴露于空气中时,处于液态金属与空气交界面的溶液会出现自发周期振荡现象,这种规律性的振荡从四周向中心再到四周,如此往复循环不已,其表现如同液态金属通过深呼吸动作来实现心脏搏动一样,令人惊讶的是整个过程的发生和持续无需额外的能源供给与外界激励。该自振系统十分简单,只需在室温下将液态金属置于碱性溶液中即可实现,这与著名的汞心脏效应中须借助两类金属与溶液发生化学反应来产生搏动的机制不同。造成这一现象的原因是空气、液态金属、溶液三相线处的表面张力存在梯度导致了Marangoni流动。该发现为液态金属自振荡马达的实现提供了基础。
  以上液态金属系列类生物学效应的基础发现再次彰显这类材料蕴藏着的新奇物理化学行为,对于理解人工材料与自然界生命现象之间的关联乃至进一步发展先进技术具有启发意义。有关学习得到中科院院长特别基金及前沿科学重点项目资助。



  图1 期刊封面故事反映的液态金属吞噬颗粒效应(左)及三类技术实现途径(右)



  图2 伽伐尼腐蚀电偶及温度梯度诱发的液态金属Marangoni流



  图3 类似于生物体呼吸获能行为的金属液滴自发搏动现象

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