中國科學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，來自中國科學院理化技術研究所/中國科學院大學未來技術學院一篇文章登上了Cell Press官網頭條。

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

該文章系統構畫了液態金屬太空科技全景，深度解析了液態金屬從本征屬性到新興功能面臨的機遇與挑戰，涵蓋能源系統、深空推進、太空熱管理、柔性電子、電磁屏蔽、可重構機器人、在軌制造、生命保障及空間光學等方向。該文章還闡釋了利用太空微重力環境作為天然實驗室，揭秘液態金屬界面物理化學超?，F象的獨特價值——相應研究不僅將推動流體力學、界面科學等基礎學科的發展，更有望為微重力下多場耦合理論的構建提供關鍵支撐。文章指出，液態金屬不僅是適配太空極端環境的通用功能材料，更是賦能未來宇航探索事業繁榮發展的重要載體。

液態金屬（Liquid Metal，LM）正成為解決太空探索中諸多極端技術瓶頸的關鍵所在。太空獨特的微重力和真空環境也帶來了巨大挑戰，同時也是一個前所未有的實驗室，用于探索未知科學。

該文章概述了液態金屬在太空探索中的基本原理和實際問題，并展望了其未來機遇，重點關注其在能源系統、深空推進、太空熱管理、柔性電子、可重構機器人、增材制造、生命支持系統和空間光學等方面的作用。除了實際工程應用，該文章還進一步闡述了利用太空環境作為獨特且不可或缺的平臺來探究不受重力限制的液態金屬界面物理和化學的潛力。對揭示與微重力相關的自組織現象以及豐富基礎突破的前景進行了闡釋。總體而言，這些見解確立了液態金屬不僅是通用材料，也是未來太空科學與技術蓬勃發展的變革性推動因素。

在永無止境的好奇心和開發外星資源的強烈愿望的驅使下，人類正從一個地球文明向太空文明轉變。自“斯普特尼克 1 號”（前蘇聯于 1957 年 10 月 4 日發射的人類歷史上第一顆人造地球衛星，標志著人類航天時代的正式開啟）發射以來，人類的足跡穩步向近地空間、空間站和月球延伸，活動也愈發頻繁。在過去的七十年多里，近地空間技術逐漸成熟，呈現出商業化、多任務能力和成本降低的特點，比如太空互聯網、太空旅游、太空數據中心和軌道太陽能電站等實踐。相比之下，深空探測技術仍處于發展階段，主要由國家主導，重點在于載人登月任務、太陽系行星探索和空間望遠鏡。目前，商業航天企業和深空探測是航天技術的主要推動力。

這些進步的核心在于材料科學，它在歷史上一直決定著航天任務的可行性。例如，減輕重量的碳纖維復合材料有助于降低發射成本，而石蠟相變材料（PCM）則提高了熱調節能力。相反，航天技術的進步也推動了材料科學的發展，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。在商業航天活動和深空探索的需求驅動下，新的挑戰不斷涌現，包括動力推進、輻射防護、電子通信、醫療保障和遠程維護。因此，迫切需要開發和部署更多樣化的航天材料，以滿足日益極端的溫度、更遠的距離和更長時間任務的迫切需求。

在眾多選擇中，室溫液態金屬（RTLM）是一大類熔點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/電導率、優異的流動性，尤其是高界面張力，這賦予了它們在眾多領域中應用的巨大潛力。在室溫液態金屬中，汞最為人所知，但其高毒性和易揮發性對人類健康和環境構成重大威脅，大規模應用極具挑戰性，而鈉和鈉鉀合金則具有很強的反應性，會與水、氧和二氧化碳發生劇烈的化學反應，其固有的化學不穩定性嚴重限制了應用范圍。近年來，鎵基和鉍基液態金屬作為有前景的替代品嶄露頭角，引起了科學界的廣泛關注，這主要得益于它們出色的化學穩定性和生物相容性。因此，這類液態金屬引發了爆發性的研究興趣，推動了非傳統的基礎研究和實際應用探索。憑借其獨特的特性和性能，液態金屬已被廣泛應用于眾多不同領域，例如能源推進、熱管理、柔性電子、電磁屏蔽、生物醫療保健、傳感與驅動以及增材制造。此外，與化學、流體動力學和光學的跨學科融合揭示了液態金屬的眾多界面現象。這些現象不僅加深了對液態金屬物理和化學行為的基本理解，還為設計更強大的功能材料和器件開辟了新途徑。

太陽系的物理環境從中心恒星到近地天體呈現出不同的特征，環境條件極端炎熱或寒冷，溫度范圍相當寬廣，氣壓低，溫度低。在太陽表面，溫度高達 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金屬，其沸點在 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，為太空核動力系統奠定了基礎。水星的極端條件，晝夜溫差達 368 開爾文，氣壓極低，處于無氧真空狀態，消除了液態金屬氧化降解的擔憂。無需額外的抗氧化涂層。結合其寬泛的溫度流動性，它們支持航天器在晝夜周期中熱管理的穩定運行。金星表面溫度為 737 開爾文，氣壓為 9.2×10? 帕，帶來了嚴峻的挑戰。液態金屬通過其流體特性適應高壓變形，使其成為著陸器密封部件和熱傳導介質的理想選擇。月球環境具有高真空度、晝夜溫差在 100-390 開爾文之間以及無氧的大氣環境?；鹦堑臏囟确秶?134-293 開爾文之間，大氣壓力低且無氧。液態金屬消除了抗氧化結構的需求。與傳統流體相比，其較大的表面張力可防止泄漏，低熔點確保低溫流動性，無氧環境避免氧化雜質堵塞電路。此類材料可用于火星探測器土壤分析儀的對流冷卻，并與相變材料結合，為月球基地提供高效的熱能儲存。

除了應用技術之外，液態金屬在前沿天體物理學探索中也愈發重要。它們獨特的高密度、強導電性和可調流體動力學特性，使其成為下一代引力波探測器和用于探測極端環境（例如黑洞相關環境）的實驗平臺的有希望的候選材料。其重要性還延伸至地球物理學領域：地球的液態金屬外核驅動著地磁場，而對液態金屬的實驗室研究為磁流體動力學（MHD）原理提供了難得的實證途徑，這一框架將天體物理等離子體和地球發電機過程聯系起來。綜合來看，這些觀點表明液態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象的基本機制的不可或缺的工具。

盡管在地球上液態金屬取得了豐富的科學發現和廣泛的應用，但其在太空中的利用仍相對有限。早在 20 世紀 80 年代，液態金屬就被用作空間核動力系統的傳熱流體；然而，迄今為止，尚未在其他航天相關領域開發出應用。作為多功能材料，液態金屬有望在航天領域得到更廣泛的應用，涵蓋空間能源系統、推進技術、熱管理解決方案、電子學、光學、機器人技術和生命支持系統等多個領域。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，為研究液態金屬的界面現象提供了絕佳的平臺。這種獨特的環境有望揭示更多的科學現象和規律，促進對這類材料的基本理解和應用。

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

從近地環境到遙遠深邃宇宙的液態金屬太空探索

液態金屬與不同物質的物理性質比較

液態金屬能源技術在太空應用的前景

液態金屬深空推進前景

液態金屬助力空間熱管理的前景

液態金屬助力空間電子設備的發展前景

液態金屬機器與太空制造的前景

液態金屬生命支持技術的前景

重力和微重力條件下液態金屬的界面行為

液態金屬（LM）正成為解決太空探索中諸多極端技術瓶頸的關鍵所在。太空獨特的微重力和真空環境也帶來了巨大挑戰，同時也是一個前所未有的實驗室，用于探索未知科學。該文章概述了液態金屬在太空探索中的基本原理和實際問題，并展望了其未來機遇，重點關注其在能源系統、深空推進、太空熱管理、柔性電子、可重構機器、增材制造、生命支持系統和空間光學等方面的作用。除了實際工程應用，該文章還進一步闡述了利用太空環境作為獨特且不可或缺的平臺來探究不受重力限制的液態金屬界面物理和化學的潛力。對揭示與微重力相關的自組織現象以及豐富基礎突破的前景進行了闡釋。總體而言，這些見解確立了液態金屬不僅是通用材料，也是未來太空科學與技術蓬勃發展的變革性推動因素。

隨著人類向持續的月球、火星和深空任務邁進，液態金屬（LM）正準備從地面材料轉變為航空航天技術。這代表著一個前沿領域，將重塑未來太空系統的設計和運行。液態金屬的卓越特性直接應對了極端太空環境帶來的挑戰，為能源供應、推進、熱控、先進制造、微型反應堆、材料合成、機器人技術、傳感器和醫療保障提供了有前景的途徑。太空本身也提供了一個天然實驗室，以加深我們對液態金屬微重力科學的理解，并完善多領域理論框架。

盡管前景廣闊，但仍存在重大挑戰。材料兼容性問題、微重力環境下的長期穩定性、精確控制界面行為以及在軌可擴展制造等問題，應通過結合地面實驗、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、航空航天工程、基礎物理和化學等跨學科的共同努力。全球科學家和工程師之間的合作將有助于降低科學發現的成本，從而推動即將到來的月球材料時代的蓬勃發展。通過抓住機遇、克服挑戰，月球材料有望成為下一輪太空探索的關鍵材料，使遠離地球的太空任務更安全、更高效、更具適應性。

https://www.cell.com/cell-press-blue/fulltext/S3051-3839(26)00009-5