神奇的“鎵”針，扎進皮膚里竟然會變軟，它是怎么做到的？

注射器寒光閃閃的不銹鋼針頭，是很多人的童年噩夢，嚴重一些的人甚至會出現暈針的情況。如果讓你來設計一款注射器針頭，你會怎么設計呢？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、避免推進時彎折失穩；但一旦成功扎入，病人需保持相對靜止的狀態以避免針頭移動造成血管損傷及注射失敗。那么，能不能做一根針，扎進去之前硬如鋼，扎進去之后軟如管呢？

不銹鋼針（圖片來源：網絡）

2023年，來自韓國科學技術院（KAIST）的研究人員在《Nature Biomedical Engineering》雜志發表論文，報道了一種能夠變形且不可重復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。這一設計很好的好滿足我們對一個理想針頭的想象，今天我們就來看看這種針頭究竟是怎么實現的？

金屬鎵的神奇之處

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

較涼室溫環境中的金屬鎵（圖片來源：網絡）

對工程設計而言，鎵還有一個同樣關鍵的特性——過冷。液態鎵在缺少合適的成核條件時，即使溫度降到理論凝固點以下，也可能在一段時間內仍維持液態而不立刻結晶。把這兩點結合起來看，鎵就像一種自帶開關的材料：溫度一到，狀態切換，力學表現隨之改寫；而切換之后，狀態還可能在回到常溫時短暫滯留，不會馬上復原。這類可控、帶滯后的相變行為，正是把材料性質轉化為器械功能的基礎。

P-CARE 的力學魔法

在論文的設計中，P-CARE的骨架由金屬鎵構成，形態是一套中空的矩形針狀框架；其外側再用高韌性的軟聚合物（例如超柔硅膠）進行封裝，從而同時形成針體外殼與內部的流體通道，并且還能進一步集成薄膜溫度傳感器，實現狀態監測或溫度測量等功能。

P-CARE針頭（圖片來源：[2]）

P-CARE的真正巧妙之處在于，針頭的承載路徑會隨著溫度發生切換：在室溫環境下，鎵保持固態，框架能夠承擔主要載荷，使針頭具備足夠的彎曲剛度完成穿刺；而一旦進入人體，鎵在體溫作用下液化，原本負責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性，使輸液功能不至于因為軟化而中斷，即便出現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]）

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

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保持完全柔軟的狀態，從而降低意外針刺傷的風險，并在物理層面抑制不當重復使用的可能。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？

金屬鎵的應用領域十分廣泛，包括半導體材料和光學電子材料、太陽能電池、合金材料、醫療器械、磁性材料等。其中，應用最多的領域是新興半導體行業，占到整個鎵消費量的80%以上，其次為太陽能電池、醫學材料、LED及光學設備等。

01

半導體與光電領域

鎵在電子信息產業中的價值體現在它能組成一系列高性能化合物半導體材料，例如氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）等。另外，在一些半導體材料體系中，鎵也常作為摻雜元素參與調控電學性能。相較于傳統硅材料，含鎵化合物半導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、光電器件等領域扮演重要角色。

（圖片來源：[3]）

02

太陽能電池領域

鎵在能源領域的一個典型應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、光電轉換效率高等特性著稱，因此更常出現在對可靠性與性能要求極高、成本敏感度相對更低的場景，例如航天與軍工等領域。簡單說，它追求的是在極端環境下依舊穩定輸出，這使其在太空輻射和溫差環境中具備優勢。

（圖片來源：[3]）

03

低熔點合金

鎵可以與銦、鉈、錫、鉍、鋅等多種金屬形成一系列低熔點合金，這類合金往往可用于溫度測控與保護裝置、儀表中的汞替代方案、某些特殊金屬涂層，以及電子工業與核工業中對傳熱與冷卻介質有特殊要求的回路材料等。一個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為液態，因此可用作某些自動滅火或溫度響應裝置中的感應/觸發元件。

低熔點合金制成的熔斷塞可保護機器部件的安全（圖片來源：[4]）

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

參考文獻

[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：力學科普

編輯：ThymolBlue

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