終結者液體金屬人再現：納米世界里常溫金屬當面團揉

　　在科幻大片《終結者》系列中，常常出現這樣的場面：阿諾德施瓦辛格掏出霰彈槍朝液體機器人射擊，巨響過后，身體和腦袋被打穿了數個大窟窿的液體機器人又慢慢恢復了原形。真是打不死的“小強”！

　　這真的是遙遠的明日科技嗎？還是就在我們身邊發生的事實？

　　東南大學孫立濤教授研究團隊發現，在極小的納米尺度下（小于10納米），普通的固態金屬在擠壓、拉伸等外力作用下，會像揉面團那樣柔軟，甚至像液態那樣任意變形；更為奇特的是，外力撤除后，還可以恢復原形。10月12日，這項研究的論文發表在國際著名期刊《自然材料》上，并被評為封面文章。

　　且慢，真的是普通的金屬就可以嗎？這不合乎直覺。

　　對，你沒有看錯，普通金屬在室溫下，就可能有這種神奇的特性，但是前提是要在納米尺度下。

　　東南大學電子科學與工程學院孫立濤教授團隊發展了一種原位電子顯微學技術，并基于此在國際上首次觀察到10納米以下固態金屬銀顆粒在室溫下的類液態行為。

　　科研人員告訴科技日報記者，宏觀的金屬材料的變形機制通常遵從經典的位錯滑移和孿晶變形理論。然而，到了極小的納米尺度，金屬表面原子所占的比重越來越大，其變形機制越來越受表層原子的運動影響。我們都知道，表層原子是很活躍的，納米金屬就仿佛穿了一層水膜一樣的外衣，一旦受到任何外力，“水膜”一樣的外層原子就會呼啦啦先運動起來。這時候，納米金屬就兼具了固體和液體的特性，在擠壓后，表層原子迅速移動，形成了新的表面層。

　　這種變形機制會帶來一個特別的后果，那就是當撤除擠壓時，這層活躍的“水膜”分子又會呼啦啦往上跑，以降低表面能，直到把金屬顆粒恢復原形。這樣，就出現了實驗中觀察到的那神奇一幕，不論怎么擠壓，金屬顆粒最終都會恢復原形。

　　科研人員把這種可以恢復原形的塑性行為，叫做贗彈性。

　　這種奇特的納米顆粒塑性形變，超越了傳統的金屬物理中位錯等缺陷導致的塑性形變理論，在變形的整個過程中顆粒內部始終保持著完好的晶態結構。這一發現暗示，隨著金屬顆粒尺寸減小，經典的Hall-Petch規律中“越小越強”不再適用，會逐漸過渡到“越小越弱”。

　　這種神奇的贗彈性，會給我們帶來一系列神奇的結果。例如，可以制造出無論怎們變形都可以復原的金屬關節，具有記憶功能的存儲器件，打不穿的金屬防彈衣，甚至還包括我們前面提到的《終結者》液體金屬機器人。

　　同時，這項工作對于如何維持下一代納米電子器件中的互連線和電極的穩定性，以及如何實現超小尺寸的納米加工工藝，有著重要的指導意義。因為隨著現代半導體技術的發展，集成電路中金屬互連線以及電極的特征尺寸正在向10納米逼近。在這樣小的尺度下，作為基礎框架的金屬形態是否還能像塊體材料那樣穩定，科學家以前并不清楚。現在新的問題是，證實了納米金屬顆粒塑性形變的現象后，如何保障在如此小尺度下電子器件物理性能的穩定性？這一問題向現代集成電路產業提出了新理論和技術的挑戰。

　　據悉，這項工作是東南大學傳統電子學科與新興納米領域的交叉與融合的結果，得益于學校長期對基礎研究和國際學術交流合作的支持與重視。孫立濤教授課題組近年來依托原位透射電子顯微學技術，已經在微納米器件、新型二維材料、納米金屬變形機制等領域取得了一系列研究成果。