液态金属（羧基液体丁腈橡胶 Metals，LM）是一种在常温常压状态下呈现液态，具有良好的导热性、导电性的液态金属材料，又被称为低熔点金属。液态金属是由加利福尼亚州理工的威廉·约翰逊（William Johnson）教授在20世纪所命名并阐述的，液态金属其实并不简单指处于液态的金属，还包括处于液态的金属合金。典型的液态金属有汞（熔点为-38.83℃），，钠钾合金，镓基、铋基金属及其合金。液态金属具有润滑性、导热性、导电性、电磁性、生物相容性、流动性和可变形性等性能。

液体金属可用于新材料创制、热控与能源技术、印刷电子与3D打印、生物医学与健康技术和柔性智能机器等。

液态金属是由加利福尼亚州理工的威廉·约翰逊（William Johnson）教授在20世纪所命名并阐述的，液态金属其实并不简单指处于液态的金属，还包括处于液态的金属合金。

汞在公元前16～前15世纪就已经被发现，是人们发现的第一个液态金属。其看起来像流动的银，所以又俗称汞。钠钾合金是除了汞以外第二个被发现的常温液态金属。金属铯在1860年被发现。

在过去的几个世纪里，人们研究了汞及其合金（也称为汞齐）的广泛应用。例如：1643年，发明了汞气压计；1717年水银玻璃温度计开始商业化；19世纪发明了汞活塞泵等。后来，由于汞的急性毒性，公众日益关注，要求引入其他液态金属和合金。因此，液态金属研究转向了另一个方向，逐渐发现了其他金属和合金。特别是，镓及其共晶合金（如镓锌合金和镓合金）的发现为液态金属研究带来了新时代。例如：19世纪发明了镓铝合金和镓铟合金；20世纪发明了镓锡合金、镓和镓铟温度计、镓铟锡锌合金、镓银合金、镓汞齐、镓锡合金、镓锌合金等。而到了21世纪，开始研究软体电子产品、软体机器人、室温液态金属电池、液态金属基反应环境、镓合金热界面材料等。

“液态金属”是一个广义的术语，统指与常用金属相比，熔点低得多的金属和金属合金。在元素周期表的所有金属中，只有汞（Hg）在室温（25℃）和常压下以液态存在，其熔点为-38.83℃。同样，一些元素在25-40℃和常压下保持液态，即熔点分别为27℃、28.44℃、29.76℃和39.3℃的（Fr）、铯（Cs）、镓（Ga）和（Rb）。同时，液态金属合金也被称为液态金属。例如，镓铟锡合金（GaInSn）和共晶镓铟合金（EGaIn）是镓与铟（In）和锡（Sn）的共晶合金，分别含有68.5%的Ga、21.5%的In、10%的Sn和75%的Ga，以及25%的In。

各种纯金属的熔点差别很大。纯金属在一定温度下熔化或凝固，而大部分合金（除共晶成分合金）则有一个熔化（或结晶）温度区间。熔化温度区间的大小取决于合金的种类和化学成分，同时也影响金属的流动性、铸件的结晶过程及宏观组织，因而也影响铸件的质量和性能。

液态金属比固态金属具有更大的热膨胀率，这是液态金属内部的热运动使空位增加所致。固态晶体中的空位数为10-3～10-6数量级，随温度上升，空位数不断增加，当金属熔化时空位数显著增加，与此相对应，液态金属体积明显增加。

液态合金中的锡属于低熔点金属，在低温下表现出脆断特性。锡在13.2℃以上比较坚硬和稳定，但其耐寒能力差，低温下锡的晶体结构会发生重新排列，原子之间的空隙加大，膨胀造成的内应力会使金属锡碎裂成粉末。通常，银白色的锡金属上首先会出现一些粉状小点，之后小点逐渐蔓延扩大，变成小孔，继而扩大到整个金属，直至全部金属分崩离析，成为煤灰状粉末。

金属熔化后，电阻将增加。近代物理方法测定结果表明，液态时的自由电子数与固态相比并没有多大差别。熔化时导电性的下降可以考虑是由液态中原子平均位置的热振动之振幅的增加和液态金属结构不规则性的增加引起的。

液态金属的导热性对其散热能力影响很大。导热性高的金属，其冷却速度较快，金属断面的温度梯度较小。因此，由温差在铸件内部引起的热应力也较小。

固态金属中的扩散机理可以用晶体中的原子与空位交换位置加以解释。与固态金属中的空位数量相比，液态时空位数大大增加，大约10个原子位置中就有一个空位，因此，扩散速度大为加快，液态中的扩散速度比固态晶体中大102～105倍。例如，在1500 ℃的铁液中Mn的扩散系数为6×10-5 cm2/s，而在固态铁中的扩散系数仅为4×10-9 cm2/s。

液体在层流运动的情况下，各液层间有摩擦阻力，成为液体的内摩擦，阻碍液体的流动。内摩擦阻力是液态金属的物理特性之一，称为黏度。其本质是质点间的相互作用力。影响黏度的因素包括：温度、化学成分、非金属夹杂物等。

液态金属表面质点受到周围质点对它的作用力是不平衡的。若是与气体接触，则相对来说受到液体内部的力较大，所以就产生了方向垂直于液面，且指向液体内部的力。这样就使得液面像被―弹性薄膜所包围一样，力求减少其表面积，由此产生了表面张力。显然，表面受力的不对称性越大，则表面张力越大。力场不对称性是由于物质本身质点间的作用力和表面质点与相邻相质点间的作用力不同而引起的。所以表面张力的大小既与液体本身性质有关，又和与它相接触的相的性质有关。常温液态金属的表面张力都很大，常温条件下，特定组分的镓铟合金的表面张力可达700 mN/m，汞的表面张力约为483 mN/m。影响表面张力的因素包括：熔点、温度、溶质。

表面张力引起的附加压力

根据液体中表面张力的物理意义可以推导出表面张力引起的附加压力。设在液体中有一半径为r的球形气泡，由液体表面张力造成了指向内部的力p（见下图）。

球的表面积S为：

球的体积V为：

若将球的体积增大△V，则必须克服阻力p而对它做功：

而做的功变成了表面积增大后的表面自由能增量：

故

由此可见，因表面张力而造成的附加压力p与曲率半径r成反比。在较细的圆管中液体的凸面或凹面可以看作是球面的一部分，其曲率半径即球的半径。

对于任意形状的弯曲液面，附加压力可用拉普拉斯公式表示：

，式中，R1和R2为液体曲面上两个相互垂直弧线的曲率半径。如液面凸起（不浸润），附加压力为正值；液面下凹（润湿），附加压力为负值，如下图所示。如果材料被金属液浸润，则接触角0\u003c90°；如果材料不被金属液浸润，则浸润角0\u003e90°。

液态金属本身的流动能力称为流动性，由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定。金属的流动性好，有利于充型，气体和杂质的排除，以及凝固过程中溶质元素的扩散和凝固后期的补缩、防裂，对获得优质铸件至关重要。

在讨论流动性时，常将合金液在凝固过程中停止其流动的温度称为零流动性温度；将合金加热至零流动性温度以上同一过热度时的流动性称为真正流动性；而在同一铸造温度下的流动性称为实际流动性。

液态金属可广泛应用于消费电子、航空航天、生物医疗和军工等领域。

液态金属的应用正在逐步拓展到消费电子产品。通过印刷方式在各种柔性、刚性基材甚至人体皮肤上直接制造出目标电路、元器件、集成电路和终端功能器件。这使得个性化功能器件的快速制造成为可能，降低了高端制造的门槛。

液态金属的热控能力被应用到台式计算机用液态金属散热器，液态金属热界面材料，相变散热模块，液态金属冷却大功率高架灯及发光二极管（LED）路灯，笔记本电脑用超薄型液态金属散热器，高性能服务器冷却用液态金属散热器等。

室温液态金属在航空航天领域的热控问题中具有极高潜力的应用价值。采用液态金属作为散热工质的热控技术主要聚焦于三点：①对流换热技术；②固液相变换热技术；③复合换热技术。

空间太阳能电站和通信卫星作为大功率发热器件，体积紧凑，热量集中，可以充分利用液态金属的高导热特性，通过对流方式在较短的流动距离内实现高热量的转移。天基激光武器和航天器着陆缓冲机构（反推发动机部分）是瞬时高热流密度工作的典型例子，是固液相变技术的典型应用。光学望远镜的光学镜片组对控温精度具有极高的稳定性要求，一般通过半导体制冷片对镜片实施高精度控温，可考虑将液态金属流动回路作为二级散热方式辅助半导体制冷片工作。

适合采用液态金属对流散热技术的部件级应用有电加热元件、卫星电源控制器、铆钟控温系统、卫星相控阵天线和天线TR组件阵列等。

基于液态金属的环境生物医疗类芯片已得到广泛应用，例如：液态金属用于免疫检测的集成化微流控芯片，微流控细胞分选装置，脱氧核糖核酸分析微流控芯片，血细胞分析微流控芯片，可调节溶液浓度梯度的微混合器等。

由液态金属神经连接与修复调控技术，衍生出了系列化的神经调控技术，创建了液态金属高分辨血管造影术等。此外，还发展出了液态金属栓塞血管治疗肿瘤技术、碱金属流体热化学消融治疗肿瘤法、注射式低熔点金属骨水泥、刚柔相济型液态金属外骨骼、印刷式液态金属柔性防辐射技术、植入式医疗电子在体3D打印与注射电子，液态金属皮肤光热转换与电磁学、液态金属医学传感技术等。

液态金属在军事领域的应用集中在以下两个方面：射频天线和印刷电子电路。目前液态金属军用射频电子天线已完成原型件验证，进入技术转化阶段；液态金属3D打印作为柔性电子器件的制造新前沿，为常温下直接制造柔性导线、执行器、电极系统、可穿戴式机械外骨骼的元器件开辟了一条方便、快捷且有望实现普及化应用的途径。

液态金属也可制成多孔物质，由此实现更多奇特功能和行为。例如，有关特性可用于制造水下变形机器、柔性机械臂、外骨骼、柔性智能机器人等。可借助不同熔点的液态金属与协同材料，发展出更多宽温区工作的液态CIT材料体系。

基于轻质液态金属的基本思想，以共晶镓合金及中空玻璃微珠为代表，可制备出密度仅为水的一半、可漂浮于水面的液态金属复合材料。这种材料保留了纯液态金属的导电性、导热性、力学强度、固液相变等特性，还具有可塑性、可变形性乃至磁性等特征；据此设计各种平面与三维应用场景，如水面电路、水中机器人，还可引入不同封装来实现对材料漂浮行为的调控。

柔性智能机器的标志性进展之一，是首次揭示了电场调控下液态金属呈现出的一系列大尺度变形、旋转、定向运动以及合并、断裂再合并行为，这成为后续研究液态金属可变形机器人的开端。进一步发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可通过吞噬微量铝形成自驱动全柔性机器，速度达厘米每秒级、运行时间可达数小时，实现了无需外部电力的自主运动。这种自驱动液态金属组成的微马达群可在电场中形成高速的协同运动。

结合液态金属与刚性材料，还可实现固液组合机器。采用电控可变形旋转的“液态金属车轮”，可驱动3D打印的微型车辆，实现行进、加速以及更多复杂运动。此外，液态金属可在石墨表面以任意形状稳定呈现的自由塑形能力，由此可实现液态金属逆重力攀爬。若将液态机器单元予以分组编程，将建立起可控型柔性智能机器人的可行技术途径，这将改变传统机器人的技术形态。

汞是一种非常特殊的金属，在-38.83℃以上就呈现液态，直到356.7℃才气化。汞的熔点是所有稳定金属中最低的。汞是银白色闪亮的重质液体，常温下即可蒸发。汞蒸气和汞的化合物多有慢性剧毒，在人们日常生活中，近年来汞的使用越来越少。

曾经从玛雅精英墓葬（公元100-700年）发现了90至600克汞，这些汞可能被装于碗中作为占卜用的镜子。因为汞是一种密度很高、不透明的液体，具有近乎线性的热膨胀特性，被用来制作水银血压计（血压计）、气压计、扩散泵、库仑计和许多其他实验室仪器。早期，液态汞也被用作一些核反应堆的冷却剂，以及推进系统中离子发动机的推进剂。

而金属铯是一种金黄色、熔点低（熔点28.4℃）的活泼金属。铯在碱金属中是最活泼的，在空气中极易被氧化生成一层灰蓝色的氧化铯，不到一分钟就会自燃，发出深紫红色火焰，生成铯的氧化物。在所有在室温下为固体的元素中，铯是最软的，它的莫氏硬度为0.2。

铯产生的辐射频率具有长时间的稳定性，利用这一特点可作成一种准确度极高、体积小、质量轻的时钟———铯原子钟。铯因为其极易电离的特性，因此可被用于磁流体发电机、离子推进发动机和热离子发电器。金属铯也被认为是高温朗肯循环涡轮发电机的工作流体。铯-133可以被激光冷却，用于探测量子物理学中的基本和技术问题。

钠钾合金中钠和钾的质量比为1∶3，熔点低于-10℃，一般都保存在惰性气体中。

另外，钠钾合金由于其非常宽的液态温度范围（一般液体在高温下即气化，液态温度范围窄）和极低的蒸汽压（可用于真空中），在快中子反应器中还会被用作冷却剂，可用作高温和高辐射环境中的液压油。此外，钠钾合金还会被用作一些反应的催化剂和干燥剂。

镓是一种淡蓝色金属，在29.76℃时变成银白色的液体（见下图），到2200℃才会气化，所以金属镓的液态温区相当长。

一般来说，镓被认为是一种无毒的金属，单质镓也不会在生物组织内聚集。有些医学工作者甚至将镓作为一种体内示踪的材料。镓和多种金属形成的合金也有低熔点的特性。一些典型的镓基合金的熔点见下表：

镓可以用来制造镜子。材料科学家推测，镓的特性可能使其适合开发柔性和可穿戴设备。

镓铟锡的近共晶合金，熔点低至-19℃，被用于医用温度计。镓铟合金可将气态二氧化碳沉淀为固体碳，并正在研究作为碳捕获和可能碳去除的潜在方法。

铋被认为是无毒的，作为一种高原子量的致密元素，用于浸铋天然橡胶防护罩中，以屏蔽CT等医学检查中的X射线。

铋基合金曾被用来制造青铜时代的铋青铜，曾在马丘比丘的印加刀中被发现。许多铋合金具有低熔点，可用于焊料等特殊应用。In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7合金其熔点为47℃，被用于火灾探测和灭火系统中的许多自动喷水灭火器、电熔断器和安全装置。Bi-Cd-Pb-Sn合金熔点为70℃，被用于汽车和中国航空工业集团有限公司。