中国科学院理化技术研究所低温生物与医学研究组刘静

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刘静，男，1969年4月生。1999年7月起历任中国科学院理化技术研究所研究员(百人计划)、双聘研究员、低温生物医学工程学北京市重点实验室主任；2008年8月起任清华大学医学院生物医学工程系教授(百人计划)。清华大学燃气轮机专业工学士、现代应用物理专业理学士(1992年7月)、工程热物理专业工学博士(1996年2月)；清华大学经管学院高级经理工商管理精选课程结业(2003.04—2005.05)。曾为清华大学热能工程系助教、讲师，美国Purdue大学博士后，MIT高级访问学者。2003年国家杰出青年科学基金获得者；曾先后荣获中国青年科技奖、茅以升科学技术奖—北京青年科技奖、美国机械工程师学会会刊<<电子封装学报>>年度唯一最佳论文奖等十余项奖励。出版有9部原创性跨学科前沿著作，均产生重要影响，其中之一已印刷5次(含台湾繁体字版)；发表15篇应邀著作章节，期刊论文300余篇，国际会议论文80余篇；申请发明专利100余项(已获授权60余项)。

姓 名:刘静        
性    别:男
职 务:实验室负责人        
职    称:研究员
学 历:博士        
通讯地址:中国科学院理化技术研究所，北京中关村东路29号
电 话:82543765        
邮政编码:100190
传 真:82543767        
电子邮件:jliu@mail.ipc.ac.cn
主 页:无        

研究领域：
* 芯片冷却与强化传热技术
* 生物传热传质学（低温生物医学、肿瘤热疗物理学）
* 微/纳尺度传热学与流体技术
* 室温金属流体印刷电子学
* 先进能量捕获与发电技术
* 生物医学技术与仪器
代表性工作：
    在工程热物理与生物医学工程学前沿领域均做出开创性工作。前者，围绕高端芯片严重受制于“热障”的世界性难题，突破性地提出有重大原始创新性的室温液态金属热管理方法，并推动了这一领域理论与技术体系的形成和发展；还开辟出全新的室温液态金属印刷电子学领域，可望改变传统电子及集成电路制造规则。在生物传热学领域，开展有长期系统深入的创新研究和学术推动，为建立从低温到高温生物医学工程学的相对完整的学术体系作出重要贡献；提出有纳米冷冻治疗学、碱金属热化学消融法等崭新方向。在普惠健康技术领域，较早提出从国家层面全面部署低成本医疗战略，出版了均为全球首部的低成本医疗及手机生物医学工程学前沿著作，系统构建了对应的学术体系，产生了广泛深入的影响。在重大实用技术推进上，研制出多种国内外领先的仪器装备：CPU液态金属散热器已形成系列化产品；肿瘤治疗用高端冷热刀医疗设备等作为大型产业化项目转让企业；系列无线移动医疗产品获得SFDA证书等。
获奖及荣誉：
1. 先后5次荣获中国科学院优秀研究生指导教师奖或优秀教师称号。
2. ASME Journal of Electronic Packaging 2010-2011年度唯一最佳论文奖;
3. 北京技术市场金桥奖项目一等奖(2011);
4. 中国国际工业博览会创新奖(2008);
5. 茅以升科学技术奖—北京青年科技奖(2008);
6. 中国青年科技奖(2007)；
7. 第22届国际制冷大会Best Poster Award，2007
8. 国家杰出青年科学基金获得者(2003)；
9. 清华大学双聘教授/百人计划教授(2005)；
10. 中国科学院百人计划研究员(1998)。
人才培养情况：
    先后指导毕业46名硕士、博士生及24名本科毕业设计，其中有19人次获得中国科学院院级及清华大学校级奖学金、国家奖学金或竞赛奖，5人次入选全国优秀博士论文提名、中国科学院优秀博士论文奖或提名；所指导研究生或助手中，已有4人成长为教授或研究员(1名入选中科院百人计划，1名入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”)，1名入选北京市科技新星人才计划，4人被提升为副研究员或副教授。
代表论著：
1.  刘静, 于洋, 刘琳,《手机平台上的生物医学工程学：原理及应用》, 北京：科学出版社, 2011.
2.  刘静, 饶伟, 贾得巍,《先进低成本医疗技术》, 北京：科学出版社, 2010.
3.  刘静, 邓月光, 贾得巍,《超常规能源技术》, 北京：科学出版社, 2010.
4.  刘静, 邓中山,《肿瘤热疗物理学》, 北京：科学出版社, 2008.
5.  刘静,《热学微系统技术》, 北京：科学出版社, 2008.
6.  刘静,《低温生物医学工程学原理》, 北京：科学出版社, 2007.
7.  刘静,《微米/纳米尺度传热学》, 北京：科学出版社, 2001（已5次印刷）.
8.  刘静, 《SARS 医学中的物理热学方法与应用》, 北京：科学出版社, 2004.
9.  刘静，王存诚, 《生物传热学》, 北京：科学出版社, 1997.
10.  Y. Zheng, Z. Z. He, Y. X. Gao, J Liu*, Direct desktop Printed-Circuits-on-Paper flexible electronics. Scientific Report, vol. 3, 1786, 2013.
11.  Y. Yu, J. Zhang, J. Liu*, Biomedical implementation of liquid metal ink as drawable ECG electrode and skin circuit, PLoS ONE, vol. 8(3), pp. e58771, 2013
12.  Q. Zhang, J. Liu*, Nano liquid metal as an emerging functional material in energy management, conversion and storage, Nano Energy, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2013.03.002, 2013 (Invited Article).
13.  S. F. Mei, Y. X. Gao, H. Y. Li, Z. S. Deng, and J. Liu*, Thermally induced porous structures in printed gallium coating to make transparent conductive film, Applied Physics Letters, vol. 102, pp. 041509, 2013.
14.  H. S. Ge, J. Liu*, Keeping smartphones cool with gallium phase change material, ASME Journal of Heat Transfer, 135: 054503, 2013.
15.  Y. G. Deng, J. Liu*, Optimization and evaluation of a high performance liquid metal CPU cooling product, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2013.
16.  H. S. Ge, H. Y. Li, S. F. Mei, J. Liu*, Low melting point liquid metal as a new class of phase change material: An emerging frontier in energy area, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 21, pp. 331-346, 2013.
17.  H. Y. Li, Y. Yang, and J. Liu*, Printable tiny thermocouple by liquid metal gallium and its matching metal, Applied Physics Letters, vol.101, pp. 073511, 2012.
18.  Y. X. Gao, H. Y. Li and J. Liu*, Direct writing of flexible electronics through room temperature liquid metal ink, PLoS ONE, vol.7(9), pp. e45485(10 pages), 2012.
19.  D.-R. Di, Z.-Z. He, Z.-Q. Sun, and J. Liu*, A new nano-cryosurgical modality for tumor treatment using biodegradable MgO nanoparticles, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, vol.8, pp. 1233-1241, 2012 (Feature Article, Cover Article, Back Cover Article).
20.  Z. Sun，Y. Yang，J. Liu*, In vivo experiments and numerical investigations on nanocryosurgical freezing of target tissues with large blood Vessels, Journal of Biomedical Nanotechnology, 8(1), pp. 1-9, 2012.
21.  D. Dai, J. Liu*, Human powered wireless charger for low-power mobile electronic devices, IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol.58(3), pp. 767-774, 2012.
22.  Q. Zhang, Y. Zheng, J. Liu*, Direct writing of electronics based on alloy and metal ink (DREAM Ink): A newly emerging area and its impact on energy, environment and health sciences, Frontiers in Energy, vol.6(4), pp. 311-340, 2012 (Invited Feature Article).
23.  D. Jia., W. Rao, C. Wang, C. Jin, S. Wang, D. Chen, M. Zhang, J. Guo, Z. Chang, J. Liu*, Inhibition of B16 murine melanoma metastasis and enhancement of immunity by fever-range whole body hyperthermia, International Journal of Hyperthermia, vol.27, pp. 275-285, 2011. (Cover Article)
24.  J. Xiao, Z.Z. He, Y. Yang, B.W. Chen, Z.S. Deng, J. Liu*, Investigation on three-dimensional temperature field of human knee considering anatomical structure, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 54, pp. 1851–60, 2011.
25.  P. Li and Jing Liu*. Harvesting low grade heat to generate electricity with thermosyphon effect of room temperature liquid metal, Applied Physics Letters, vol. 99, 094106, 2011.
26.  Y. G. Deng, J. Liu*, Design of a practical liquid metal cooling device for heat dissipation of high performance CPUs, ASME Journal of Electronic Packaging, 132(3):31009-31014, 2010 (Selected as Journal’s 2010-2011 Best Paper of the Year Award)
27.  W. Rao, Z. S. Deng, and J. Liu*, A review of hyperthermia combined with radiotherapy/chemotherapy on malignant tumors, Critical Reviews™ in Biomedical Engineering, vol.38, pp.106-116, 2010 (Invited Review).
28.  Z. He and J. Liu*, Complex-anisotropy-induced pattern formation in bistable media, Physical Review E, vol.79, 026105, 2009. (Featured in the Web of America Physical Society)
29.  S. H. Xiang, J. Liu*, Comprehensive evaluation on the heating capacities of four typical whole body hyperthermia strategies via compartmental model, International Journal of Heat and Mass Transfer (Invited paper for special issue on bioheat transfer research), vol.51, pp.l5486-5496, 2008.
30.  K. Q. Ma, and J. Liu*, Heat-driven liquid metal cooling device for the thermal management of a computer chip, J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 40, pp. 4722–4729, 2007. (Cover Article)
承担科研项目情况：
大型企业产业化项目多项；国家自然科学基金面上项目等。

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        近日，清华大学刘静教授研究组联合中国科学院理化技术研究所，在国际期刊Materials Horizons上以封面论文形式发表了题为“PLUS-Material: a Porous Liquid-metal enabled Ubiquitous Soft Material”的学术论文。此项工作基于镓铟合金流体中微/纳尺度颗粒经化学反应产生气体生成多孔结构的机理，发明并研制出一种全新的多功能多孔液态金属柔性材料，这种类似于动物组织肺泡结构的多孔金属软材料，具有良好的导电性和磁性，可以对外界的热刺激做出响应，极限情况下可快速膨胀至原体积的7倍以上，膨胀后的多孔金属甚至可如潜艇一般携带重物漂浮于水面。此类新材料系首次在自然界被创造出来，对于研发新概念型柔性智能器件与装备有重要意义。清华大学医学院2015级博士生汪鸿章及2016级博士生袁博为文章共同第一作者，清华大学医学院教授、中科院理化所研究员刘静及中科院理化所助理研究员王磊为本文共同通讯作者。

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理化所应邀于国际传热学权威年鉴《传热学进展》发表液态金属冷却技术长篇评述

近日，传热学领域国际权威年鉴《传热学进展》（Advances in Heat Transfer）在线发表了中科院理化所与清华大学联合小组关于“液态金属先进芯片冷却与热管理技术”的长篇评述（Xiao-Hu Yang and Jing Liu, Advances in Liquid Metal Science and Technology in Chip Cooling and Thermal Management, Advances in Heat Transfer, 2018），文章第一作者为理化所博士生杨小虎，通讯作者为刘静教授。

　　《传热学进展》是由Elsevier出版发行的具有悠久历史的年鉴系列，每1-2年刊发一期，每期收录3-6篇章节论著。自1964年创刊以来，国内仅有数位学者应邀为其撰写过章节。2018年恰逢《传热学进展》有特殊纪念意义的第50卷，由国际传热界著名学者Ephraim M. Sparrow院士、John P. Abraham教授和John M. Gorman教授担任编辑，邀请了美国佐治亚理工学院Yogendra Joshi教授、日本东京大学Shigeo Maruyama教授、美国明尼苏达大学V. R. Voller教授以及中科院理化所与清华大学的刘静教授撰写相关章节，内容涵盖反常传热学、数据中心冷却、射流冲击传热、碳基纳米材料传热、液态金属冷却等前沿研究方向。

　　液态金属芯片冷却技术由理化所刘静博士于2000年至2002年期间酝酿并首次提出，随后引发国内外学者和产业界的广泛关注。在长期持续推进中，该团队构建了一系列新的理论与技术体系，发表了上百篇研究论著，获得核心专利授权百余项，涉及室温液态金属强化传热、相变与流动理论，电磁、热电或虹吸驱动式芯片冷却与热量捕获，微通道液态金属散热，刀片散热，混合流体散热与废热发电，低熔点金属固液相变吸热，以及提出无水换热器工业，发明自然界导热率最高的液态物质-纳米金属流体及热界面材料等。

　　这类从室温至2000°C均能保持液相的全新一代热管理技术，在技术理念上打破了传统模式。此前，工业界数十年来主要沿用空冷、水冷及热管散热，但技术趋于瓶颈。液态金属技术在高功率密度电子芯片、光电器件等领域极端散热上有着重大价值，并被拓展到消费电子、低品位热能利用、光伏发电、能量储存、智能电网、高性能电池及热电转换等领域。有关研究曾获国际电子封装领域旗舰刊物《ASME Journal of Electronic Packaging》2010-2011年度唯一最佳论文奖，著名学者及该刊主编Sammakia教授（美国纽约州立大学宾汉顿分校副校长）曾致信称赞：“这是一项重要成就，因该奖每年仅颁发一次，且由全部论文公开竞争产生”。成果还获得中国国际工业博览会创新奖、北京市技术市场金桥奖一等奖等多个产业奖项。

　　国际上，围绕液态金属芯片冷却的研究近年来也呈蓬勃发展态势。2004年，美国Nanocoolers公司获数千万美元资助开展液态金属芯片散热技术研究，并于2005年发布了液态金属CPU散热器样机。2009年，美国Aqwest LLC公司开展激光泵浦二极管的液态金属散热技术研究。2012年，德国成立液态金属研究联盟，斥资2000万欧元，用于研究液态金属技术特别是其中的流动和传热问题。2013年，美国阿贡国家实验室研制出加速器中子散射源液态金属散热原型机，将室温镓基液态金属引入冷却系统，取代传统的钠钾合金。2014年，美国国家宇航局NASA特别将液态金属冷却技术列为未来前沿研究方向。近期，国内外学术界和工业界更有大量研发团队纷纷涌入这一新兴领域的研究和应用上。

　　作为当今最为前沿的高性能热管理解决方案，液态金属在对流冷却、热界面材料、相变热控等领域均带来了观念和技术上的重大变革，打破了传统冷却技术的性能极限，给大量面临“热障”难题的器件和装备的冷却带来了全新的解决方案。经过十多年的发展，我国科学家已经在液态金属冷却领域形成了相对完备的知识产权和技术体系，在材料制备与表征、理论分析模型、数值模拟分析以及热控系统构建等方面形成了较为成熟的理论和技术储备，一批成果已规模化应用于工业和商业领域。

　　此次受邀在《传热学进展》发表关于“液态金属先进芯片冷却与热管理技术”的论著表明了国际传热界对中国团队多年来的原创性工作的高度认可。在论著中，作者们全面介绍了液态金属对流冷却技术、低熔点金属相变热控与储能技术、液态金属热界面材料、液态金属双流体冷却技术以及由液态金属引发的组合传热学概念，并系统性阐述了基本传热学理论、数值模型和计算方法、热物性测试技术、热控系统和装置、实验研究策略以及代表性应用等内容，指出了进一步可供探索的途径和新方向。该论著既是对前期研究工作的系统总结，也为推动液态金属冷却技术的持续发展和应用打下坚实基础。未来，随着越来越多持续不断的研究和应用，液态金属冷却技术将在航空航天、能源系统以及众多民用设备领域的先进冷却与热管理中发挥日益重要的作用。

　　文章链接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0065271718300030

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国内外首部《液态金属生物材料学》与《液态金属柔性机器学》学术著作出版

由刘静教授带领的中国科学院理化技术研究所与清华大学联合研究组，经数年时间整理和撰写的两部英文学术著作《液态金属生物材料学》与《液态金属柔性机器学》，正式于知名学术出版机构施普林格(Springer)出版。两部著作均系国内外首部，填补了相应学术文献空白。

　　近年来，液态金属研究日益渗透到自然科学与工程技术的多个领域。在生物医学与健康技术领域，独特的液态金属更为此带来观念性变革。针对若干医学难题和技术挑战，联合小组率先开展了一系列有益尝试，有关成果在国际上持续引发重大反响。比如，首创的液态金属神经连接与修复技术，被认为是“令人震惊的医学突破”；创建的液态金属血管造影术、可注射型液态金属骨水泥、刚柔相济型外骨骼、植入式医疗电子在体3D打印与注射电子，以及液态金属皮肤电子学等，也因崭新学术理念和技术突破性，为业界广泛重视。大量原创工作被诸多知名科学杂志及新闻如New Scientist、MIT Technology Review、Daily Mail、News Week、Fox News等专题报道。近期，国际上陆续有团队跟进，种种态势预示着液态金属生物材料学作为一个全新领域的崛起。考虑到液态金属对于发展新兴生物医学技术的重要启示意义，联合小组应邀撰写出版了《液态金属生物材料学》一书，系统构建了液态金属生物材料学领域的理论与技术体系，总结了液态金属作为生物医用材料所呈现的独特优势和应用特点，对国内外在液态金属生物材料学方面的研究概况与典型进展进行了系统归纳和综合评述，并剖析了这一新兴领域面临的科学技术挑战及未来发展方向。

　　此外，不同于上述主题的是，此次出版的《液态金属柔性机器学》著作，则旨在系统讲解实验室于世界上首次发现的一系列全新的液态金属机器（液体机器）、自驱动机器、过渡态机器或微型马达、固液组合机器的基本原理乃至构筑各类可变形机器应用技术的全貌。长期以来，实现可在不同形态之间自由转换的软体机器人，一直是全球科学界与工程界的重大挑战，民用与国防安全价值巨大。然而，已有的技术体系在实现受控主体大尺度可控变形等方面始终面临关键瓶颈。为此，近年来，理化所与清华大学联合小组从全新体系出发，开创性提出了突破传统技术理念的液态金属软体机器人思想，从材料、器件到系统等方面逐步构建相应的理论与技术体系。由于显著的科学突破性，有关发现被Nature、Nature Materials、Science News、New Scientist、Discover、Phys.org、Chemistry World等广泛评介，引发全球范围持续广泛反响，被认为预示着软体机器人的新时代，液态金属机器人被列为是机器人领域最具发展潜力的十大方向之一。迄今，机器人大多仍以一种刚体机器的形式发挥作用，这与自然界中人或动物有着平滑柔软的外表以及无缝连接方式完全不同。液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程。当前，全球围绕先进机器人的研发活动正处于如火如荼的阶段，比如，美国国家自然科学基金会仅在2017年设立的单项软体机器人项目经费就高达2600万美元。若能充分发挥液态金属所展示出的各种巨大潜力，并结合相关技术，将引发诸多超越传统的机器变革。《液态金属柔性机器学》著作的适时出版，可望积极促进国际上相关科学探索和技术研发向纵深发展。

　　上述研究先后得到中国科学院前沿科学项目、中国科学院院长特别基金及国家自然科学基金重点项目资助。

由Springer出版的《液态金属生物材料学》著作封面

由Springer出版的《液态金属柔性机器学》著作封面

　　著作电子版网络链接：

　　1. https://www.springer.com/cn/book/9789811056062

　　2. https://link.springer.com/book/10.1007/978-981-13-2709-4

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终结者的到来——基于镓基液态金属的新一代柔性机器人

清华大学医学院刘静课题组联合中科院理化所，基于本课题组近些年来关于镓基液态金属材料及柔性机器人等的科学发现以及同领域中的前沿研究成果，对液态金属作为应用于柔性机器人领域中的材料特性进行了详细评述。包括其流动性、柔性、固液相转换特性、导电性、生物安全性、多功能复合材料改性等（图A）；此外，还勾画出基于液态金属的柔性机器的基本设计架构及单元，涉及驱动装置及能量供应部分、仿生传感功能，以及作为柔性机器的功能控制单元等；在此基础上对此种新型的液态金属柔性机器的应用进行了介绍，包括柔性仿生机器人、智能控制机器、微型机器人等；最后对液态金属柔性机器人的发展前景以及当前存在的关键技术难题进行了深入探讨。该综述全面介绍了液态金属在新一代全柔性机器人的设计及应用中的理论基础、技术依托以及应用方向。

研究者相信，此综述将会为基于液态金属的柔性机器人系统的进一步研究打开一扇窗户，在推进软物质材料科学的发展以及柔性智能控制系统的应用方面提供新的材料以及研究思路。相关综述在线发表于Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800549)上，并于当期Back Cover做简要介绍。

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中国科学院理化技术研究所应邀在Materials Science and Engineering: R: Reports 发表了题为Transformable Soft Liquid Metal Micro/Nanomaterials 的综述文章，首次系统地针对近年来兴起的可变形微纳米液态金属功能材料的物理化学特性、制备方法和多领域应用进行了系统的总结和评述。文章共同第一作者分别为硕士研究生张明宽和姚思远，共同通讯作者为研究员饶伟和刘静。

　　降低液态金属液滴的表面张力、增加比表面积及缩小物理尺寸对于液态金属在生物医学、印刷电子、界面材料和柔性传感器等领域的应用至关重要。微纳米液态金属显著改变并提升了宏观液态金属的特定物理化学性能，展现出宏观液态金属力所不及的性能。例如，在热界面材料领域，纳米液态金属表现出更高的颗粒融合的势垒，显著地提升了绝缘导热界面材料的稳定性。在增材制造领域，利用直写和微注射等制造方式展示了批量生产液态金属图案的潜在实际应用。但受限于较大的表面张力和易于形成的表面氧化物，宏观液态金属与常用的喷墨式打印工艺难以兼容，因此制造导线宽度仅为几微米甚至更高分辨率柔性电路板仍是难题。然而，通过引入微纳液态金属液滴协助精确电路的制造，使高分辨率印刷电子“触手可及”。此外，通过对微纳米液态金属颗粒进行改性和修饰（氧化、表面活化等），能够在微观尺度上对材料功能定向设计，从而拓宽液态金属在微观领域的应用。同时得益于尺寸效应，液态金属微纳米颗粒在电磁光热等方面也展现出了一些异于宏观液态金属的独特性质。这些使其在生物医学、柔性电子、热管理和微型马达等领域发挥了独特作用。

　　此外，与刚性微纳米金属材料相比，柔性微纳米液态金属则表现出更强的顺应性和易于调控等特性，固液共存的状态使其能够实现刚性纳米材料所无法实现的相变储能等应用。

　　在该评述中，作者全面系统地回顾了微纳米液态金属材料的电学、热学等物理化学性质，细致地总结了当前存在的多种用于制备微纳米液态金属材料的实验手段，着重评述了这种新颖的微纳米功能材料在生物医学、柔性电子、热管理和柔性马达领域的前沿应用，总结了目前液态金属微纳米材料所面临的挑战并展望了液态金属微纳米材料在生物成像、热界面材料等领域的潜在应用。

　　以上工作表明，不同于迄今已被充分研究过的各类刚性微纳尺度材料的是，可变形微纳米液态金属这种超越常规的功能材料的出现，正带来大量新的研究与应用机遇，此方面的发展方兴未艾。相关研究工作得到国家自然科学基金重大项目、北京市科技基金委和理化所所长基金的大力支持。

　　论文链接

柔性可变形液态金属微纳米材料在生物医学、柔性电子、热管理和软体马达领域的应用

xihongshi

近日，在国家出版基金资助下，中科院理化所刘静研究员出版了一部旨在阐述最新尖端冷却技术的英文著作：《面向芯片、器件与系统的液态金属先进冷却》（上海科学技术出版社，2020）。在这部历时近10年完成的学术著作中，作者系统总结了国内外特别是由其团队首创并系统发展起来的液态金属芯片冷却理论与技术体系。该书系国内外首次出版，填补了相应学术文献空白。
　　近年来，随着微纳电子技术的飞速发展，高集成度芯片、器件与系统等引发的热障问题，成为制约各种高端应用的世界性难题，突破散热瓶颈被提高到前所未有的层面。在这一态势下，刘静教授于2000-2002年间酝酿并首次在芯片冷却领域引入了具有颠覆性意义的通用型低熔点合金散热技术，有关工作随后在国内外学术界和产业界引发重大反响和大量后续研发，成为近年来的国际前沿研究热点和较具发展前景的新兴产业方向之一，且在更广层面极端散热领域的价值还在不断增长。在多年持续探索中，刘静团队逐步构建起了液态金属芯片冷却的一系列基础原理与底层核心技术，发表了上百篇研究论著，获得核心专利授权百余项，还应邀在国际传热界权威综述系列《传热学进展》发表了长达114页的专题评述，相应工作涉及室温液态金属强化传热、相变与流动理论，电磁、热电或虹吸驱动式芯片冷却与热量捕获，微通道液态金属散热，刀片散热，混合流体散热与废热发电，低熔点金属固液相变吸热，以及提出无水换热器工业，发明自然界导热率最高的液态物质-纳米金属流体及热界面材料等。这类从室温至2300°C可保持液相且能根据应用场景灵活实现固液转换的全新一代热管理技术，在技术理念上打破了传统模式。此前，工业界数十年来主要沿用空冷、水冷及热管散热，但性能趋于瓶颈。

　　液态金属技术除了在高功率密度电子芯片、光电器件以及极端散热上有着重大应用价值外，还被逐步拓展到消费电子、低品位热能利用、光伏发电、能量储存、智能电网、高性能电池、发动机系统以及热电转换等领域。作为当今性能最为卓越的热管理解决方案之一，液态金属为对流冷却、热界面材料、相变热控等领域带来了观念和技术上的重大变革，突破了传统冷却原理的技术极限，为大量面临“热障”难题的器件和装备的冷却提供了富有前景的解决方案。经过十多年的发展，我国科学家已经在常温液态金属冷却领域建立了相对完备的知识产权体系，在材料制备与表征、理论分析、数值模拟以及热控系统设计等方面形成了较为成熟的理论和技术储备，一批成果已规模化应用于工业和商业领域。有关研究曾获国际电子封装领域旗舰刊物《ASME Journal of Electronic Packaging》2010-2011年度唯一最佳论文奖，著名学者及该刊主编Sammakia教授（美国纽约州立大学宾汉顿分校副校长）曾致信称赞：“这是一项重要成就，因该奖每年仅颁发一次，且由全部论文公开竞争产生”；成果还另获多个产业奖项如中国国际工业博览会创新奖、北京市技术市场金桥奖项目一等奖、全国首届创新争先奖等。
　　国际上，围绕液态金属芯片冷却的研究近年来也呈蓬勃发展态势。2004年，美国Nanocoolers公司获数千万美元资助开展液态金属芯片散热技术研究，并于2005年发布了液态金属CPU散热器样机。2009年，美国Aqwest LLC公司启动激光泵浦二极管的液态金属散热技术研究。2012年，德国成立液态金属研究联盟，斥资2000万欧元，用于研究液态金属技术特别是其中的流动和传热问题。2013年，美国阿贡国家实验室研制出加速器中子散射源液态金属散热原型机，将室温镓基液态金属引入冷却系统，取代传统上使用起来比较危险的钠钾合金。有意思的是，2014年，美国国家宇航局（NASA）特别将液态金属冷却技术列为未来前沿研究方向。近期，国内外学术界和工业界更有大量研发团队纷纷涌入这一新兴领域的研究和应用上。
　　总的说来，液态金属芯片热控领域取得的一系列基础发现，正成为发展全新一代冷却技术的重大核心引擎，一批市场产品已陆续问世。当前，液态金属散热技术的基础及应用研究已从最初的冷门发展成备受国际广泛瞩目的热门领域，影响范围甚广，正为能源、电子信息、先进制造等领域的发展带来颠覆性变革，将催生出一系列战略性新兴产业，相应产业化具有巨大的发展潜力和市场空间。
　　此部著作的及时出版可望高效推动液态金属芯片散热这一新兴学科领域的可持续健康发展。全书注重阐述新原理、新方法与新应用，交叉性强，学科领域跨度大，内容前沿，是一本兼具理论学术意义和实际参考价值的学术著作，可供热科学、物理、电子、计算机、机械、器件、材料、设计等领域的研究人员、工程师以及大专院校有关专业师生、研究生阅读参考。

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近日，应Cell姊妹期刊Matter之邀，中科院理化所与清华大学联合小组发表了一篇题为“Liquid Metal Composites”的长篇评述文章（Chen et al., Matter, 2(6): 1446-1480, 2020），首次对近年来新出现的液态金属复合材料的兴起缘由、发展历程、典型应用、最新进展以及面临的挑战和机遇进行了系统总结和展望。文章第一作者为理化所博士生陈森，通讯作者为刘静教授。
　　众所周知，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，被认为是推动现代文明的三大支柱之一。几千年来，人类创造了无数异彩纷呈的材料技术。这其中，金属作为至关重要的组成要素，被广泛应用于各行各业。正是源于金属对人类文明的重大支撑作用，人类历史长河中的多个重要时期均以某种标志性金属加以命名，如：青铜器时代、铁器时代等。进入现代信息时代以来，千姿百态的金属材料更在社会飞速发展中大显身手。通常情况下，人们普遍关注得更多的是金属的强度、硬度及韧性，而对其流体状态及性质乃至应用则颇多忽视，一个核心原因在于常规金属如铜、铁等的熔点动辄上千摄氏度，对于需如此高温才可能变成液体的金属，液态只是其制备与成型过程中的中间态，是很难被加以利用的。
　　近年来的大量突破性工作表明，金属若能在常温下予以液态化，其本身就蕴藏着巨大价值，比如广泛见诸体温计、血压计等领域的水银（Hg）就是其中的典型代表，然而颇为遗憾的是这类材料的高毒性往往让人望而却步，也因此在很大程度上削弱了业界对液态金属的兴趣。由于这样的思维惯性，人们在相当长时间内未能充分意识到在水银之外还存在着大量安全无毒、应用空间更为广阔的常温液态金属，如镓或其合金以及铋基合金等，因此相应研究和实践在全球范围一度处于沉寂。本世纪以来，随着低熔点金属首次被引入到消费电子领域量大面广的计算机芯片冷却行业，以应对日益严峻的“热障”难题以来，液态金属物质科学的勃勃生机和活力得以被大大激发出来，催生了无数极富想象力的变革性应用（图1），为许多新兴科技与产业打开了前所未有的空间。

图1. 生物医学、柔性电子、热管理与软体机器等广泛领域中的液态金属

　　经过十数年的发展，常温液态金属以其优异的导电率、导热率、生物安全性以及非凡的流动性，逐渐成为许多前沿科学和技术领域中备受重视的热点材料，促成了一系列基础发现和颠覆性应用成果的取得。然而，迄今业界所能获得的液态金属种类及其理化性质仍然十分有限，远不能满足林林总总的独特需求。正是在这样的态势下，液态金属复合材料（图2）得以应运而生，成为打破已有技术应用瓶颈的不二选择以及发展高新材料的核心生长点。这一材料创制的基本原理在于以液态金属为基础成分或扩展载体，结合各类协同物质如纳米材料、聚合物、功能物以及相应的物理化学合成工具，旨在实现所预期的性能优异的终端材料，该方向正在促成许多全新材料的发明和研制。仅就液态金属复合材料而言，近年来由理化所与清华大学联合小组首创、发现和定义并产生重要影响的一些全新概念及技术，如不完全列举就有：“自驱动液态金属机器-Self Fueled Liquid Metal Machine”、“多孔液态金属-Porous Liquid Metal”、“液态导电-绝缘转换材料-Liquid Conductor Insulator Transition Material”、“轻质液态金属物-Lightweight Liquid Metal Entity”、“液态金属胞吞效应-Liquid Metal Phagocytosis”、“纳米液态金属-Nano Liquid Metal”、“液态金属填充物-Liquid Metal Filler”以及“智能液体集成功能体: Intelligent Liquid Integrated Functional Entity (I-LIFE)”等，这些工作开辟出了一系列独特的功能材料发展方向。

图2. 液态金属复合材料的典型类别

　　实际上，复合策略在几乎所有的材料研发过程中均扮演着关键角色。从理论上讲，液态金属的各种功能均可由此加以设计。因此，在很大程度上可以认为，对于即将来临的液态金属时代，最终真正得到大规模广泛应用的往往就是这样的复合材料。然而，与巨大的需求相比，液态金属复合材料的研究与应用才刚刚拉开帷幕。为促成这一新兴方向的持续发展，联合团队结合实验室多年来的研究积累以及国内外最新进展，系统总结和评述了实现液态金属复合材料的基本途径，特别归纳和讨论了具有核-壳结构的液态金属复合材料，液态金属-聚合物复合材料以及液态金属-颗粒复合材料等的基本特点和应用问题，剖析了寻找先进功能材料的基本理论与技术策略，对于未来研发新一代液态金属材料技术具有基础性指导意义。
　　此次受邀于知名刊物Matter就“液态金属复合材料”发表前瞻性评述，表明国际学术界对理化所与清华大学联合团队在液态金属领域原创性工作的认可。实验室自本世纪初首次将室温液态金属引入到芯片冷却行业以来，相继在液态金属印刷电子学与3D打印、生物医学、可变形柔性机器人等方面做出了开创性贡献，出版了系列填补学术文献空白的中英文基础著作，一批产业化成果相继问世，由此衍生出诸多液态金属复合材料，所引申出的学术内涵和应用层面十分广阔。此篇前瞻性评述的发表，可望及时有效的引导和推动液态金属复合材料新兴学科方向的建立和发展。
　　以上研究得到国家自然科学重点基金、中国科学院院长基金及前沿项目等支持。

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近年来，柔性运动机器由于具有交互友好、通用性强、适用领域广等优点，在业界引发的关注度与日俱增。然而，由于此类器件立足于柔性体结构变形的运动机制，与传统运动理论指导下的刚体机器的运动行为存在有很大不同，因此对柔性对象实施有效、便捷的控制一直是重大挑战。在各类不断涌现的尝试中，依靠智能型柔性材料的特异性响应变化、着力研发控制系统是一种颇有前景的策略，此类材料可以根据其响应变化的特征，实现预先编程，甚至可以擦除/重新编程，从而实现较好的、灵活的操纵性。但尽管如此，新型材料的开发和精细化操控尚非易事。如果考虑将理论成熟的模拟或数字控制范式用于柔性结构，则可以借助到许多现有成果，在控制原理、方案等方面得到有力的帮助；但问题在于，刚性的电子元器件与柔性结构并不一定能完美兼容，在大规模使用的情况下，可能会出现新的适应性问题。因此，若能从硬件上对传统控制元器件加以革新，得到“柔软”的控制单元，同时还可以沿用发展成熟的相关控制理论，则有望实现人们对柔性机器进行较好控制的愿景。

　　近日，来自中科院理化所液态金属与低温生物研究中心的科研小组，提出并证实了一种新型的基于液态金属液滴实现的柔性逻辑门器件（AND, OR, NOT, NAND, NOR）、计算单元并由此控制全柔性机器的理论与技术途径，可望改观传统的柔性或刚体智能器件，相应论文发表于Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上（D.-D. Li, T.-Y. Liu, J. Ye, L. Sheng, and J. Liu, Liquid Metal-Enabled Soft Logic Devices, 2021, 2000246），文章共同第一作者为硕士生李东东和博士生刘天英，通讯作者为刘静研究员。
　　研究小组系统展示了液态金属柔性逻辑单元的设计思想，并设计出两种类型的基础逻辑单元。其原理在于通过控制开关电压的大小、操控液态金属液滴在流道内的运动变形，以实现输出电路的导通或关断，从而使设备具备“打开——关闭”的二进制逻辑特征。基于该逻辑单元，可制备出一系列液体逻辑门结构，实现更加多样的逻辑运算和电学信号输出，从而扩宽液体逻辑控制领域的应用前景。此外，设计制造柔性逻辑器件的最终目的之一，是将其充分应用于柔性机器人的控制上，由此实现各种特定功能及行为。为展示该方面的应用，研究人员用LMS搭建了一个双路的控制单元，实现了对气压累加计算与控制，由此为气动抓手提供不同的输入压力，从而实现了该柔性结构在四种宏观外形状态下的灵活变化。
　　以上研究得到国家自然科学重点基金及中国科学院前沿项目支持。
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202000246