中国科学院物理化学研究所は液体金属と3Dプリントを使って超小型車両を製作した。

最近、中国科学院物理化学研究所は清華大学の研究グループと共同で、磁性機能層をコーティングした自動運転液体金属機械や、液体金属を車輪として使った超小型車両を開発した。さらに研究チームは、液体金属によって駆動される金属線の振動効果と、金属粒子によって引き起こされる液体金属の跳躍現象も初めて報告した。これまで、液体金属機械はすべて純粋な液体の形で登場していました。固体と液体の複合機械効果の発見と技術の進歩により、液体金属機械は機能的な外骨格と外骨格を持つことができ、柔軟な機械の開発が加速されます。

研究チームは、Journal of Materials Chemistry Bに掲載された論文「薬物送達のための磁場または電場によって操縦される自走式液体金属モーター」（4、5349、2016、表紙記事）において、電気メッキによって液体金属の表面に強磁性ニッケル層を埋め込み、外部磁場または電場の作用下で機械を柔軟に制御することを実現し（図1を参照）、薬物送達におけるその潜在的価値を検証しました。この磁性固液複合機械が不規則運動液体金属機械よりも優れているのは、始動や停止、旋回、加速などの複雑な動作を実現できることです。

図1 ▲ニッケルシェルでコーティングされた固液複合磁性液体金属機械のジャーナルカバーストーリーと制御可能で自律的な動き
さらに、研究チームは、金属液滴と3Dプリントされたプラスチックボディで構成された、柔軟で変形可能な「車輪」で駆動する超小型車両を開発した。電界の作用により、液体金属の「車輪」が回転したり変形したりして、車両を動かしたり、加速したり、さらにはより複雑な動きを実現したりすることができます (図 2)。研究チームは、四輪駆動車に似た構造を採用し、0.4gの重量を載せて毎秒25mmの速度で移動できることを確認した。この固液組立フレキシブルマシンの設計コンセプトは、より複雑で制御可能なマシン構造につながります。対応する研究は、RSC Advances (Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery、6、56482-56488、2016) に掲載されました。

図2 ▲電界制御下で柔軟かつ変形可能な液体金属ホイールで駆動する一輪車と四輪駆動車の運動挙動
研究チームは、Advanced Science 誌に発表された「液体金属機械がトリガーするバイオリンのようなワイヤー発振器」（10.1002/advs.201600212、2016 年、表紙記事）と題する論文で、液体金属固体液体複合機械の極めてユニークな自励振動効果を報告しました。処理された銅線がアルミニウムを含む液体金属に触れると、銅線はすぐに液体金属に飲み込まれ、その後、バイオリンの弦が音楽を演奏するときのように、液体金属本体上で長時間往復シャトル運動を行います（図 3）。さらに、液体金属にステンレス鋼線を接触させることで、銅線の振動挙動を周波数と振幅で変調することができます。上記現象が発生するメカニズムは、主にアルミニウムとアルカリ溶液の反応により、液体金属と銅線の両端の間に濡れ力の差が生じ、銅線、液体金属、電解質、水素の多相界面の動的結合により、リズミカルな牽引力が発生することです。この画期的な発見は、インターフェース科学の従来の理解に革命をもたらし、柔軟なインテリジェントマシンの開発に新たなアイデアをもたらしました。また、流体、電気、機械、光学などのシステム用の制御スイッチも開発できます。

図3 ▲ジャーナルの表紙ストーリーと液体金属機械によって駆動される銅線の濡れと自己振動の現象。Applied Physics Lettersに掲載された「固体金属粒子によって引き起こされる電解質中の液体金属液滴の跳躍」（108、223901、2016）と題された論文で、著者らは興味深いタイプの液体金属の跳躍挙動を発見しました（図4）：金属液滴を含む溶液システムに固体金属粒子（ニッケル、鉄など）を追加すると、もともと静止していた金属液滴が跳躍し始め、容器の底に一連のパンケーキ型の「足跡」を残しました。研究により、金属粒子が液体金属の表面と点接触すると、界面の電界強度が大幅に高まり、溶液内で水素の電気分解が起こることが明らかになりました。水素の泡は基板上で吸着・成長を続け、「ガススプリング」を形成し、液滴がジャンプするための推進力を提供します。電界分極を引き起こす要因の 1 つは、液体金属と固体金属粒子間の電位差、つまりガルバニ電池効果です (図 5)。もう 1 つの理由は、固体と液体の界面における微視的形態の違いによって電荷が蓄積され、先端放電効果が発生することです。

図4 ▲ニッケル粉末粒子によって誘発されたNaOH溶液中の液体金属液滴の跳躍挙動

図5 ▲金属液滴と固体金属粒子の点接触後の界面電場の分極の原理と現象。化学研究所の劉静研究員率いるチームは、10年以上にわたり、液体金属をめぐる独創的な研究を数多く行い、チップ冷却、先進製造、電子技術、バイオメディカル、フレキシブルマシンなどの分野で全面的なブレークスルーを達成しました。チームはこれまでに、30以上の重要な科学的意義を持つ基本的な液体金属現象または効果を発見し、数十の実用的な技術を開発し、北京、雲南、広東などを含む全国の工業化を促進し、主要な液体金属製品生産ライン、研究開発センター、科学技術博物館の建設と完成に次々に貢献しました。さまざまな製品が市場に参入しています。液体金属バレーを作成し、さらには新しい液体金属産業システムを開発するという概念も、理想から現実に変わりつつあります。その成果は、国内外の学界と産業界に大きな影響を与えています。南極クマ3Dプリントネットワークにご注目ください。

出典：中国科学院物理化学研究所

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