近日，云南大学材料与能源学院、云南省微纳材料与技术重点实验室柳清菊教授团队在Nature Reviews Materials（IF=76.679）上发表文章“Colourful liquid metals”（DOI: https://doi.org/10.1038/s41578-022-00512-2，2022），云南大学为第一完成单位，云南大学材料与能源学院博士生段良飞为第一作者，柳清菊教授、清华大学刘静教授为共同通迅作者。
镓基液态金属是一类新兴功能材料，室温下呈液态，具有流动性、导电性、导热性、生物相容性、自愈性和安全无毒等特点。然而，单一的银白色物理外观限制了镓基液态金属在对色彩和美学有严格要求领域的应用，镓基液态金属的彩色功能化将为其应用提供了巨大的机会，并在柔性能源器件、柔性显示、可穿戴器件、电子皮肤、变色龙软体机器人、光学柔性传感器、3D照明系统、防伪标识和生物探针等领域极具发展潜力。该文章结合团队前期研究基础，阐述了高亮度、高稳定性镓基液态金属彩色功能化的可控合成策略、独特的结构、物理化学特性和显色机理，分析了该类新材料能突破的传统技术、可能实现的新应用、面临的挑战和需要解决的关键问题，为开拓液态金属新的研究与应用方向提供了新方法和新技术。
图1 团队研制的各类彩色镓基液态金属材料
近年来，柳清菊教授团队在镓基液态金属发光性质调控及应用于新能源器件方面取得了系列进展：
（1）镓基液态金属界面卤化转变实现荧光功能化：利用氯化钾和盐酸混合溶液对含铝镓基液态金属的表面进行化学修饰，形成了具有双型钙钛矿结构的金属卤化物荧光外壳，镓基液态金属中各金属元素卤化转变后可作为荧光外壳中的关键阳离子，研究成果发表于Small（2022，42, 2204056，DOI：https://doi.org/10.1002/ smll.202204056，IF=15.153），云南大学材料与能源学院博士生段良飞为第一作者。
图2 镓基液态金属表面卤化荧光转变
（2）在新能源器件电极中的应用研究：在全印刷钙钛矿太阳能电池中，通过加入液态金属，降低了碳电极的方阻并优化碳电极和钙钛矿的界面接触性能，减少了载流子非辐射复合损失，器件光电转换效率得到显著提升，研究成果发表于ACS Appl. Mater. Interfaces（2018，10，15616-15623，DOI：https://doi.org/10.1021/ acsami.8b00158，IF=10.383），云南大学材料与能源学院博士生赵建红为第一作者。
图3 镓基液态金属用于全印刷钙钛矿太阳能电池碳电极
（3）镓基液态金属核壳结构诱导的独特表面荧光：镓基液态金属在空气中表面会自发、迅速形成自然氧化层，该氧化层在热处理过程中经过不断富集、增厚、结晶和相变形成β-Ga2O3薄层，β-Ga2O3薄层中存在丰富的氧空位、镓空位和镓－氧空位对等，且镓基液态金属中各金属元素在热处理程中扩散掺杂到氧化物外壳中，从而增强和丰富了镓基液态金属的荧光性能。荧光外壳是由镓基液态金属表面氧化转变形成，链接紧密不易脱落。研究成果发表于ACS Appl. Mater. Interfaces（2022，34, 39654-39664，DOI：https://doi.org/10.1021/acsami.2c12420， IF=10.383），云南大学材料与能源学院博士生段良飞为第一作者。
图4 镓基液态金属表面热氧化荧光转变机理及性能
（4）液体金属荧光色彩的调控。利用镓基液态金属为墨水，通过印刷、绘画、书写等方式可在氧化物陶瓷（SiO2/Al2O3）基底上制备出精细、复杂的薄膜，由于可绘画的特点不受基底形状、尺寸等因素的限制，且退火过程中各金属元素扩散、掺杂到氧化物陶瓷基底中形成各类杂质或缺陷。这些杂质或缺陷的相互作用可使掺杂界面具有独特的荧光性能，通过镓基液态金属中各成分含量的调控可实现掺杂界面荧光亮度和色坐标的控制，使其呈现彩色荧光效果，包括紫色、黄色、蓝色和白色。研究成果发表于ACS Appl. Mater. Interfaces（2022，20，23951-23963，DOI：https://doi.org/10.1021/acsami.2c02714，IF=10.383），云南大学材料与能源学院博士生段良飞为第一作者。
图5 镓基液态金属绘制的荧光图案
（5）室温多相镓基液态金属新材料体系的构筑优化其界面性能。通过在镓基液态金属中引入新的金属元素及各组分含量的改变，可实现其熔点、密度等性能的调控。当熔点控制在室温附近时，镓基液态金属在自然环境中呈现出多相结构特点（固相、液相、膏相），且不同相之间时刻进行转变达到动态平衡。多相的存在使镓基液态金属同时具有液态和固态金属的特点，通过成分、结构的调控可实现其形貌、润湿性、功函数、反射率等界面性能的控制和优化，特别是新体系镓基液态金属润湿性提高后可通过印刷、绘画或直写的方式在目标衬底上直接制备出功能薄膜和器件，避免了传统金属薄膜制备工艺中的高温、高真空或复杂的化学反应。研究成果发表于ACS Appl. Electron. Materials（2022，04, 112-123，DOI：https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c00722），云南大学材料与能源学院博士生段良飞为第一作者。
图6 室温多相镓基液态金属绘制的柔性电极
上述系列研究工作得到了国家自然科学基金、云岭学者专项计划、云南大学“双一流”学科建设经费、云南省微纳材料与技术重点实验室等的支持。
供稿：材料与能源学院
编辑：张寿娟
责任编辑：李哲
