注射器寒光闪闪的不锈钢针头，是很多人的童年噩梦，严重一些的人甚至会出现晕针的情况。如果让你来设计一款注射器针头，你会怎么设计呢？

站在工程师的角度来看，针头必须足够硬，才能顶开皮肤和血管壁、避免推进时弯折失稳；但一旦成功扎入，病人需保持相对静止的状态以避免针头移动造成血管损伤及注射失败。那么，能不能做一根针，扎进去之前硬如钢，扎进去之后软如管呢？

不锈钢针头丨图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

2023 年，来自韩国科学技术院（KAIST）的研究人员在《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）杂志发表论文，报道了一种能够变形且不可重复使用的静脉注射针头（phase-convertible, adapting and non-reusable, P-CARE），其刚度和形状取决于体温。这一设计很好地满足了我们对一个理想针头的想象。那么这种针头究竟是怎么实现的？

镓最出圈的特性，就是熔点低得离谱：大约 29.76℃。这一温度略高于多数室温，却显著低于人体的体温。这使它天生就是一个“两面派”：在较凉的室温环境中通常保持固态，仍呈现典型金属的形态与支撑能力；一旦温度升高到熔点以上，就会发生固—液相变，逐渐转为可流动的液态。

较凉室温环境中的金属镓丨wikipedia

对工程设计而言，镓还有一个同样关键的特性——过冷。液态镓在缺少合适的成核条件时，即使温度降到理论凝固点以下，也可能在一段时间内仍维持液态而不立刻结晶。把这两点结合起来看，镓就像一种自带开关的材料：温度一到，状态切换，力学表现随之改写；而切换之后，状态还可能在回到常温时短暂滞留，不会马上复原。这类可控、带滞后的相变行为，正是把材料性质转化为器械功能的基础。

在论文的设计中，P-CARE 的骨架由金属镓构成，形态是一套中空的矩形针状框架；其外侧再用高韧性的软聚合物（例如超柔硅胶）进行封装，从而同时形成针体外壳与内部的流体通道，并且还能进一步集成薄膜温度传感器，实现状态监测或温度测量等功能。

P-CARE针头（图片来源：[2]）

P-CARE 的真正巧妙之处在于，针头的承载路径会随着温度发生切换：在室温环境下，镓保持固态，框架能够承担主要载荷，使针头具备足够的弯曲刚度完成穿刺；而一旦进入人体，镓在体温作用下液化，原本负责抗弯的金属骨架不再提供同等支撑，针头整体的等效刚度随之显著下降，表现得更接近软组织那样柔顺。尽管如此，外层封装依然维持了通道的连续性，使输液功能不至于因为软化而中断，即便出现较大弯折也不容易立刻失效。

针的刚度随温度变化的示意图（图片来源：[1]）

论文给出的量化结果直观地呈现了这种“刚度开关”的强度：在硬模式下 P-CARE 的弯曲刚度可达 2.99×10⁻5 N·m²，而在软模式下可降至 8.77×10⁻11 N·m²，前后相差达数个数量级。这样的跨度正是我们所追求的理想状态：穿刺阶段依靠高刚度避免屈曲失稳，进入血管后则以低刚度与我们的血管和谐相处，从而降低对血管壁的接触压力与摩擦剪切，减少机械刺激与潜在损伤。

软模式和硬模式下，P-CARE的弯曲刚度比较（图片来源：[1]）

此外，P-CARE 在安全性方面也有保障，这种针头在完成使用后会保持完全柔软的状态，从而降低意外针刺伤的风险，并在物理层面抑制不当重复使用的可能。这一特性正与前面提到的镓的过冷特性相关。

金属镓的应用领域十分广泛，包括半导体材料和光学电子材料、太阳能电池、合金材料、医疗器械、磁性材料等。其中，应用最多的领域是新兴半导体行业，占到整个镓消费量的 80%以上，其次为太阳能电池、医学材料、LED 及光学设备等。

镓在电子信息产业中的价值体现在它能组成一系列高性能化合物半导体材料，例如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）等。另外，在一些半导体材料体系中，镓也常作为掺杂元素参与调控电学性能。相较于传统硅材料，含镓化合物半导体往往具备更适合高频、高速或高功率的电子特性，因此在通信、射频器件、光电器件等领域扮演重要角色。

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镓在能源领域的一个典型应用是高性能太阳能电池。砷化镓太阳能电池以耐高温、耐辐射、光电转换效率高等特性著称，因此更常出现在对可靠性与性能要求极高、成本敏感度相对更低的场景，例如航天与军工等领域。简单说，它追求的是在极端环境下依旧稳定输出，这使其在太空辐射和温差环境中具备优势。

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镓可以与铟、铊、锡、铋、锌等多种金属形成一系列低熔点合金，这类合金往往可用于温度测控与保护装置、仪表中的汞替代方案、某些特殊金属涂层，以及电子工业与核工业中对传热与冷却介质有特殊要求的回路材料等。一个典型的例子是含一定比例铟的铟镓合金，它在较低温度就能转为液态，因此可用作某些自动灭火或温度响应装置中的感应/触发元件。

低熔点合金制成的熔断塞可保护机器部件的安全（图片来源：[4]）

从静脉注射针里的“刚度开关”，到半导体与光电器件里支撑高速通信与高效能量转换的材料底座；从砷化镓、氮化镓撑起的射频与功率电子，到低熔点镓合金在温度测控、热触发保护中的用武之地。原来金属镓的用途这么广泛，真是让人大开眼界！

责编：周阳乐

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来源：科普中国