作者简介

刘静 研究员（中国科学院理化技术研究所）

本文通讯作者，长期从事液态金属与工程热物理、生物医学等领域交叉问题研究。发现液态金属诸多全新科学现象，研发的众多液态金属应用系统、高端肿瘤治疗装备康博刀系统及移动医学仪器等在国内外得到广泛应用，有关成果曾入选及入围两院院士评选中国十大科技进展各一次、两度入选中国科学院科技成果在京转化先进团队特等奖。2003年国家杰出青年科学基金获得者，曾获国际传热界最高奖之一威廉·伯格奖、首届全国创新争先奖、CCTV年度十大科技创新人物等奖励和荣誉。

高建业 副研究员（中国科学院理化技术研究所）

本文通讯作者，长期从事镓基液态金属功能材料研发与应用技术研究，目前，已共发表SCI文章50余篇，相关科研成果获中央电视台、科技日报、北京日报、新华网、Eurek!等媒体报道，并在国内外受到广泛关注。主持国自然青年科学基金项目 (C类)、中国博士后基金面上项目和企事业委托横向项目。此外，还担任 Sci. China Technol. Sci.客座编辑，及 Nano-Micro Lett.青年编委。多次受邀在国内外重要学术会议作报告，获选大会优秀学术报告奖、优秀学术论文一等奖、最佳海报奖等。

马一兵（中国科学院理化技术研究所）

本文共同第一作者，中国科学院理化技术研究所博士生。主要研究方向为液态金属智能材料，迄今在 Matter、Energy Storage Materials、Nanoenergy Advances 等期刊上发表9篇论文，其中以第一作者发表论文3篇。

• 研究背景

随着全球能源需求持续攀升与环境问题日益严峻，开发高效、可持续且智能化的新型能源技术已成为科学研究的重要方向。低熔点液态金属 (如镓基合金)，凭借其金属导电性、室温流动性、良好生物相容性及自发形成的表面氧化膜等独特优势，正逐步成为该领域的重要候选材料。尤其当尺寸缩减至纳米尺度时，纳米液态金属进一步展现出电学双极性、表面反应活性增强、可调等离子体共振及优异的形变能力，突破了传统块体材料的性能局限，在柔性储能、能量捕获、光热转换与催化等领域展现出巨大潜力。然而，受限于合成过程中形貌调控困难、长期稳定性不足、可扩展制备工艺欠缺，以及多场耦合条件下机制理解尚不深入等因素，纳米液态金属在实际应用中仍面临可控性低、稳定性差、规模化制备难以及构效关系模糊等关键挑战。

• 文章导读

来自中国科学院理化技术研究所的刘静研究员及高建业副研究员团队在本期刊上发表了题为“Liquid Metal Nanoenergy Systems: Progress and Challenges”的综述文章，系统阐述了液态金属的基本特性及其在纳米尺度下涌现的新颖物性。在此基础上，全面梳理了当前主流的合成策略，并重点总结了其在储能器件、能量收集系统以及能源转换催化等领域的创新应用，综合比较了不同合成方法与各类应用场景的适配性与优劣势。最后，文章深入探讨了纳米液态金属在稳定性、可扩展合成及机理理解方面持续存在的挑战，并对未来研究方向提出了前瞻性展望 (图1)。

图1. 纳米液态金属的特性、合成策略及能源应用范畴

• 研究内容

1. 导入

液态金属是室温下呈液态的低熔点金属，兼具金属级导电性与室温变形能力，其表面氧化层提供了形态稳定与自愈合功能，展现出独特的功能设计灵活性。然而，宏观尺度限制了比表面积与界面反应活性，制约了其在电催化、电池电极等场景中的性能发挥。将液态金属纳米化，可显著增加活性位点，并通过尺寸与表面效应调控其物理电化学行为，成为突破性能瓶颈的关键路径 (图2)。

图2. 液态金属的典型特性

2. 纳米液态金属的独特物性

纳米尺度的液态金属展现出与宏观形态截然不同的物理化学行为。一方面，高比表面积使其表面形成超薄氧化镓层，呈现出独特的“电学双极性”——既可作为高导电材料，也可作为绝缘体；另一方面，量子限域效应与表面等离子体共振效应的引入，使其在热管理、光学调控及生物医学等领域具备显著优势 (图3)。

图3. 纳米液态金属的新颖特性

3. 合成策略：从实验室走向应用

可控、高效的纳米化制备技术是解锁液态金属应用潜力的关键。当前主流的合成策略包括超声波处理、机械剪切和微流控技术。超声波处理操作简便、效率高，适用于实验室研究；机械剪切具有良好的可扩展性，适合工业化规模应用；微流控技术则制备精度高、批次一致性好，适用于构建复杂结构 (图4)。

图4. 纳米液态金属的合成策略

4. 能源领域应用：储能

利用其动态自愈合机制，纳米液态金属可有效抑制电极枝晶生长和体积膨胀，大幅提升电池的循环稳定性与安全性。例如，将其封装于空心碳纤维中作为自支撑阳极，在锂离子电池中表现出优异的容量保持率 (图5)。

图5. 纳米液态金属在储能领域的应用

5. 能源领域应用：光热效应

纳米液态金属具有可调的表面等离子体共振效应，在光照下能够高效地将光能转化为热能。通过调控其尺寸、组成和壳层结构，可实现精准的光热响应，在太阳能热发电、光热治疗及光驱动器件中展现出独特优势 (图6)。

图6. 纳米液态金属在光热效应领域的应用

6. 能源领域应用：能量捕获

基于纳米液态金属的摩擦纳米发电机和光热器件，能高效捕捉人体运动、机械振动及太阳能等环境能量。凭借优异的流变性和界面适应性，液态金属基摩擦纳米发电机的瞬时能量转换效率可达70.6%(图7)。

图7. 纳米液态金属在能量捕获领域的应用

8. 能源领域应用：催化

纳米液态金属凭借其动态界面、负混合焓及表面可重构性，为构建高性能电催化与光催化系统提供了全新范式。其独特的固液界面环境有助于优化反应路径，提升催化活性与选择性 (图8)。

图8. 纳米液态金属在催化领域的应用

• 总结与展望

总的来说，纳米液态金属能源系统作为材料科学、纳米技术与能源工程的交叉前沿，已展现出颠覆性的潜力 (图9)。未来研究应聚焦于多维材料设计与性能调控 (如核壳结构、多组分体系)、跨尺度制造与集成技术的突破，以及面向生物医学、软体机器人和极端环境能源系统的应用拓展。通过跨学科合作与基础研究、工程应用的深度融合，有望为构建高效、智能、可持续的下一代能源系统提供关键材料和技术支撑。

图9. 纳米液态金属未来应用展望

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2673-706X/5/4/16

• Nanoenergy Advances 期刊介绍

主编：Ya Yang, Chinese Academy of Sciences, China

期刊发表内容涉及纳米能源各个方面的原始实验和理论研究，包括纳米材料和纳米技术在能源应用方面的科学研究 (如能量收集、转换、存储和利用)。

2024 CiteScore：9.0

Time to First Decision：15.2 Days

Acceptance to Publication：3.8 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanoenergyadv