哈立德

液態(tài)金屬變身“軟體動物”

2015年春，Advanced Materials（《先進材料》）上，發(fā)表了一項由清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系劉靜教授團隊聯(lián)合中科院理化技術研究所得出的研究成果。這一團隊首次發(fā)現(xiàn)了電場控制下液態(tài)金屬與水的復合體，可在各種形態(tài)及運動模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的基本現(xiàn)象。

在放有氫氧化鈉（火堿）溶液的凹槽里，兩只約有成人小指粗細，長度卻只有不到一半的液態(tài)金屬“蚯蚓”靜靜地“沉睡”著。但只要“喂”給它們一小塊鋁箔，這兩只銀白色的“蚯蚓”就會在凹槽中游走，直到迎頭相撞，便旋即合為一體，像編組站里的火車，掛接上新的車廂之后繼續(xù)前行……

這種呈現(xiàn)出“生命”特性的金屬，叫作“鎵基液態(tài)合金”。具體來說，它是由鎵和銦這兩種低熔點稀有金屬組成的合金。浸在氫氧化鈉溶液里的液態(tài)鎵銦合金，能夠“吃進”鋁箔，并像“吃飽了飯的動物”一樣開始移動。正因如此，在《先進材料》上發(fā)表的論文中，它們被稱為“仿生型自驅(qū)動液態(tài)金屬軟體動物”。

劉靜教授團隊的此項工作成果，源于長期以來在液態(tài)金屬領域不斷研究推進中的偶然發(fā)現(xiàn)。他們的研究表明，讓鎵基液態(tài)合金變身成為“軟體動物”的本質(zhì)原因，是合金“吃”鋁的過程，剝掉了一部分鋁表面的氧化鋁層，使其露出了“新茬”。于是，浸在氫氧化鈉溶液里的鎵銦合金和鋁，就在鎵銦合金里產(chǎn)生了內(nèi)生電場。或者說，這個液態(tài)合金和鋁組成的系統(tǒng)，發(fā)生著類似電池內(nèi)部的電化學反應。

這種反應的效果，就是改變了液態(tài)金屬的表面張力，使金屬珠“兩側(cè)”能夠像公園腳踏船的槳葉那樣“撥水”，成為推動金屬珠前進的主要動力。與此同時，電化學反應產(chǎn)生的氫氣，也形成一個個微小的氣泡，成為金屬珠移動的輔助動力。

這個令人著迷的過程，并非司空見慣的化學反應?；瘜W反應的結(jié)果，通常是讓參與反應的物質(zhì)消失，并得到其他的物質(zhì)。以中學化學中最常見的制取氧氣和氫氣實驗為例，加熱高錳酸鉀（KMnO4），會生成錳酸鉀（K2MnO4）、二氧化錳（MnO2）并釋放出氧氣，高錳酸鉀則很快就會消減。制取氫氣也是如此，將鐵放進稀硫酸里，會得到硫酸亞鐵（FeSO4），并釋放出氫氣；如果將鋅放進稀硫酸里，則會得到硫酸鋅（ZnSO4）并釋放出氫氣，而原本的金屬和硫酸都會消減。

但“吃進”鋁箔之后的鎵基液態(tài)合金，則更像進餐后的動物。這些被置于電解液（氫氧化鈉溶液）中的合金，只需要一點點鋁箔，就可以移動很長時間，而且自身基本不會發(fā)生什么變化。

正因為鎵基液態(tài)合金的獨特性質(zhì)，這種“軟體動物”引起了世界各國科技界的廣泛關注。雖然“動物”這個詞僅僅是一種比喻，但也不禁讓人思考：這些液態(tài)金屬的人造物，可以稱為“生命”嗎？

如果擴展“生命”的定義，或者說讓生命不再局限于碳基，鎵基液態(tài)合金的確存在著被定義為“鎵基生命”的可能性。它能夠在氫氧化鈉生活環(huán)境中“吃飯”和自主運動的特點，以及憑借液態(tài)“身軀”善于“變形”通過狹窄空間的優(yōu)勢，都讓它具備了近似于動物的“特質(zhì)”。甚至，驅(qū)動它運動的電化學反應，也可以理解為一種獨特的“新陳代謝”?！白越M裝”的特性，有可能讓它形成更為復雜的個體，甚至進化出基本的智能，這就像一個個細胞構(gòu)成了人體的組織、器官，最終組成了可以思考和行動的人體一樣。

或許正因如此，《先進材料》封面反映這項科研成果的科學畫，竟然與反映5億多年前寒武紀生命大爆發(fā)的古生物復原圖有些相似。

生命是否還有別的形式？

鎵基液態(tài)合金及其獨特性質(zhì)無疑超越了一般人的認知，所以劉靜教授在向公眾介紹的時候，常會引用一些經(jīng)典的科幻作品和其中的形象，比如《終結(jié)者》里能夠如流水般滲透，并且在中槍之后進行自我修復的液態(tài)金屬機器人。他也著迷于其他一些科幻小說中對于非碳基生命的描寫。這說明，無論是科幻作家的暢想，還是科技界嚴肅的研究，都在不斷傾向于接受一種觀念：生命完全有可能以我們意想不到的形式存在。

對非碳基生命的假想，在科技界早已有之。比如說，早在1891年，歐洲天文學界就已經(jīng)在探討以硅為基礎的生命的可能性。這是因為，硅元素在宇宙中分布廣泛。而且，在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的許多基本性質(zhì)都相似。舉例而言，正如同碳能和四個氫原子化合形成甲烷（CH4），硅也能同樣地形成硅烷（SiH4）；硅酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯硅烷（HSiCl3）則是三氯甲烷（CHCl3）的類似物，等等。不僅如此，硅化合物的熱穩(wěn)定性，會使以其為基礎的生命可以在高溫下生存。

而在科幻作品中，硅基生命形象也不勝枚舉。20世紀初的美國科幻作家，不幸英年早逝的斯坦利·格魯曼·威爾伯姆，在其代表作《火星奧德賽》中，描述了一種壽命長達100萬年的硅基生命。它每10分鐘“呼吸”一次，排出一塊二氧化硅，就像人類呼吸會吐出二氧化碳一樣。但由于二氧化硅是固體，這種硅基生命會漸漸地被自己排出的廢物埋起來，而后才會破開身邊的二氧化硅，挪個地方“重新開始”。在中國，著名科幻作家王晉康在《水星播種》和《沙漠蚯蚓》等作品中，對硅基生命的描寫也頗為傳神。

除了“硅基生命”，出現(xiàn)在科幻作品中的非碳基生命還有很多。以氨取代水形成的“氨基生命”，也為科學界所關注。這是因為，（液態(tài)）氨的一些性質(zhì)與水類似，比如甲醇（CH3OH）和甲胺（CH3NH2）這兩種化合物是類似物。因此，在某些特定條件下，有可能以氨為基礎，建立起一系列復雜化合物的對應體系，比如蛋白質(zhì)和核酸的對應物質(zhì)，最終發(fā)展出氨基生命。

當人們從有機物的相似物角度思考非碳基生命可能形式的時候，材料科學的進展，讓一些化學家發(fā)現(xiàn)了某些金屬化合物或合金具有的類似生命的性質(zhì)。除了鎵基液態(tài)合金，英國格拉斯哥大學的化學家李·克羅寧等人，就曾以鎢和其他金屬原子、氧、磷結(jié)合形成的多金屬氧酸鹽，制造出了類似于細胞的氣泡，并賦予它們一些類似生命的特征。這些無機材料表現(xiàn)出來的獨特性質(zhì)，蘊含著耐人尋味的奧秘。

在很多科幻小說和影視、游戲作品中，都有“賽博格人”（人機結(jié)合體、半機器人）角色出現(xiàn)，而這一群體所依賴的技術，也令劉靜教授關注和著迷。比如，在電影《星球大戰(zhàn)》系列里，絕地武士阿納金·天行者和盧克·天行者都有過被敵人斬斷手臂的經(jīng)歷，而后安裝了能夠與身體接駁的精密機械手臂繼續(xù)作戰(zhàn)。

而劉靜教授等人研究的鎵基液態(tài)合金，不僅有著酷似動物的活動模式，還具有其他一些有趣的性質(zhì)，比如獨特的醫(yī)學價值。動物實驗表明，通過外科手術，人們可以用液態(tài)金屬材料接駁被切斷的神經(jīng)，從而將斷開的神經(jīng)信號重新連接。這是因為金屬是導體，而動物的神經(jīng)活動，本質(zhì)上傳遞的是電信號。

在日常生活和軍事行動中，因為受傷導致身體某一部分神經(jīng)被切斷的情況并不罕見。對于這樣的病例，液態(tài)金屬提供了一種修復神經(jīng)的可能性，使傷員不至于因為神經(jīng)受損而癱瘓。不僅如此，液態(tài)金屬還有可能成為“人機接駁”的“橋梁”，或者說銜接傳統(tǒng)意義上的生命體與非生命體。

而在現(xiàn)實生活中，一些實現(xiàn)人機接駁的手段，也會為醫(yī)學界所用，以療救重癥傷患。比如，以提取腦電波來推斷殘疾人意圖，并據(jù)此進行動作的假肢已經(jīng)出現(xiàn)；如果能實現(xiàn)假肢與人體神經(jīng)的直接、高效而穩(wěn)定的連接，那么假肢就會真正成為人體的一部分。

如今，隨著國內(nèi)外科學界對鎵基液態(tài)合金研究的深入，液態(tài)金屬有可能為生命“升級”，讓現(xiàn)實生活中出現(xiàn)越來越多的“賽博格人”。

作為一大類新興的功能材料，液態(tài)金屬為若干科學與技術探索提供了豐富的研究空間。雖然目前“液態(tài)金屬動物”和“終結(jié)者”仍有很大距離，但劉靜教授團隊會繼續(xù)在這條道路上不斷探索下去，新的發(fā)現(xiàn)和成果指日可待。