注射器寒光閃閃的不銹鋼針頭，是很多人的童年噩夢(mèng)，嚴(yán)重一些的人甚至?xí)霈F(xiàn)暈針的情況。如果讓你來設(shè)計(jì)一款注射器針頭，你會(huì)怎么設(shè)計(jì)呢？站在工程師的角度來看，針頭必須足夠硬，才能頂開皮膚和血管壁、避免推進(jìn)時(shí)彎折失穩(wěn)；但一旦成功扎入，病人需保持相對(duì)靜止的狀態(tài)以避免針頭移動(dòng)造成血管損傷及注射失敗。那么，能不能做一根針，扎進(jìn)去之前硬如鋼，扎進(jìn)去之后軟如管呢？

不銹鋼針（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

2023年，來自韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研究人員在《Nature Biomedical Engineering》雜志發(fā)表論文，報(bào)道了一種能夠變形且不可重復(fù)使用的靜脈注射針頭（phase-convertible, adapting and non-reusable, P-CARE），其剛度和形狀取決于體溫。這一設(shè)計(jì)很好的好滿足我們對(duì)一個(gè)理想針頭的想象，今天我們就來看看這種針頭究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的？

金屬鎵的神奇之處

鎵最出圈的特性，就是熔點(diǎn)低得離譜：大約29.76℃。這一溫度比很多房間的溫度只高一點(diǎn)，卻顯著低于人體的體溫。這使它天生就是一個(gè)“兩面派”：在較涼的室溫環(huán)境中通常保持固態(tài)，仍呈現(xiàn)典型金屬的形態(tài)與支撐能力；一旦溫度升高到熔點(diǎn)以上，就會(huì)發(fā)生固—液相變，逐漸轉(zhuǎn)為可流動(dòng)的液態(tài)。

較涼室溫環(huán)境中的金屬鎵（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

對(duì)工程設(shè)計(jì)而言，鎵還有一個(gè)同樣關(guān)鍵的特性——過冷。液態(tài)鎵在缺少合適的成核條件時(shí)，即使溫度降到理論凝固點(diǎn)以下，也可能在一段時(shí)間內(nèi)仍維持液態(tài)而不立刻結(jié)晶。把這兩點(diǎn)結(jié)合起來看，鎵就像一種自帶開關(guān)的材料：溫度一到，狀態(tài)切換，力學(xué)表現(xiàn)隨之改寫；而切換之后，狀態(tài)還可能在回到常溫時(shí)短暫滯留，不會(huì)馬上復(fù)原。這類可控、帶滯后的相變行為，正是把材料性質(zhì)轉(zhuǎn)化為器械功能的基礎(chǔ)。

P-CARE 的力學(xué)魔法

在論文的設(shè)計(jì)中，P-CARE的骨架由金屬鎵構(gòu)成，形態(tài)是一套中空的矩形針狀框架；其外側(cè)再用高韌性的軟聚合物（例如超柔硅膠）進(jìn)行封裝，從而同時(shí)形成針體外殼與內(nèi)部的流體通道，并且還能進(jìn)一步集成薄膜溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)或溫度測(cè)量等功能。

P-CARE針頭（圖片來源：[2]）

P-CARE的真正巧妙之處在于，針頭的承載路徑會(huì)隨著溫度發(fā)生切換：在室溫環(huán)境下，鎵保持固態(tài)，框架能夠承擔(dān)主要載荷，使針頭具備足夠的彎曲剛度完成穿刺；而一旦進(jìn)入人體，鎵在體溫作用下液化，原本負(fù)責(zé)抗彎的金屬骨架不再提供同等支撐，針頭整體的等效剛度隨之顯著下降，表現(xiàn)得更接近軟組織那樣柔順。盡管如此，外層封裝依然維持了通道的連續(xù)性，使輸液功能不至于因?yàn)檐浕袛啵幢愠霈F(xiàn)較大彎折也不容易立刻失效。

針的剛度隨溫度變化的示意圖（圖片來源：[1]）

論文給出的量化結(jié)果直觀地呈現(xiàn)了這種“剛度開關(guān)”的強(qiáng)度：在硬模式下P-CARE的彎曲剛度可達(dá) 2.99×10?5 N·m2，而在軟模式下可降至 8.77×10?11 N·m2，前后相差達(dá)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣的跨度正是我們所追求的理想狀態(tài)：穿刺階段依靠高剛度避免屈曲失穩(wěn)，進(jìn)入血管后則以低剛度與我們的血管和諧相處，從而降低對(duì)血管壁的接觸壓力與摩擦剪切，減少機(jī)械刺激與潛在損傷。

軟模式和硬模式下，P-CARE的彎曲剛度比較（圖片來源：[1]）

此外，P-CARE在安全性方面也有保障，這種針頭在完成使用后會(huì)保持完全柔軟的狀態(tài)，從而降低意外針刺傷的風(fēng)險(xiǎn)，并在物理層面抑制不當(dāng)重復(fù)使用的可能。這一特性正與前面提到的鎵的過冷特性所帶來的。

金屬鎵還有哪些其他用途？

金屬鎵的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括半導(dǎo)體材料和光學(xué)電子材料、太陽能電池、合金材料、醫(yī)療器械、磁性材料等。其中，應(yīng)用最多的領(lǐng)域是新興半導(dǎo)體行業(yè)，占到整個(gè)鎵消費(fèi)量的80%以上，其次為太陽能電池、醫(yī)學(xué)材料、LED及光學(xué)設(shè)備等。

01

半導(dǎo)體與光電領(lǐng)域

鎵在電子信息產(chǎn)業(yè)中的價(jià)值體現(xiàn)在它能組成一系列高性能化合物半導(dǎo)體材料，例如氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）等。另外，在一些半導(dǎo)體材料體系中，鎵也常作為摻雜元素參與調(diào)控電學(xué)性能。相較于傳統(tǒng)硅材料，含鎵化合物半導(dǎo)體往往具備更適合高頻、高速或高功率的電子特性，因此在通信、射頻器件、光電器件等領(lǐng)域扮演重要角色。

（圖片來源：[3]）

02

太陽能電池領(lǐng)域

鎵在能源領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用是高性能太陽能電池。砷化鎵太陽能電池以耐高溫、耐輻射、光電轉(zhuǎn)換效率高等特性著稱，因此更常出現(xiàn)在對(duì)可靠性與性能要求極高、成本敏感度相對(duì)更低的場(chǎng)景，例如航天與軍工等領(lǐng)域。簡(jiǎn)單說，它追求的是在極端環(huán)境下依舊穩(wěn)定輸出，這使其在太空輻射和溫差環(huán)境中具備優(yōu)勢(shì)。

（圖片來源：[3]）

03

低熔點(diǎn)合金

鎵可以與銦、鉈、錫、鉍、鋅等多種金屬形成一系列低熔點(diǎn)合金，這類合金往往可用于溫度測(cè)控與保護(hù)裝置、儀表中的汞替代方案、某些特殊金屬涂層，以及電子工業(yè)與核工業(yè)中對(duì)傳熱與冷卻介質(zhì)有特殊要求的回路材料等。一個(gè)典型的例子是含一定比例銦的銦鎵合金，它在較低溫度就能轉(zhuǎn)為液態(tài)，因此可用作某些自動(dòng)滅火或溫度響應(yīng)裝置中的感應(yīng)/觸發(fā)元件。

低熔點(diǎn)合金制成的熔斷塞可保護(hù)機(jī)器部件的安全（圖片來源：[4]）

從靜脈注射針里的“剛度開關(guān)”，到半導(dǎo)體與光電器件里支撐高速通信與高效能量轉(zhuǎn)換的材料底座；從砷化鎵、氮化鎵撐起的射頻與功率電子，到低熔點(diǎn)鎵合金在溫度測(cè)控、熱觸發(fā)保護(hù)中的用武之地。原來金屬鎵的用途這么廣泛，真是讓人大開眼界！

參考文獻(xiàn)

[1]Agno K C, Yang K, Byun S H, et al. A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion[J]. Nature Biomedical Engineering, 2024, 8(8): 963-976.

[2]https://ee.kaist.ac.kr/en/research-achieve/an-intravenous-needle-that-irreversibly-softens-via-body-temperature-on-insertion

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/GfGrB4ilpPnBxLsQT2dZsA

[4]https://hsseworld.com/overview-on-fusible-plug-2/

來源：力學(xué)科普

編輯：ThymolBlue

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