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理化所与清华大学发现液态金属冲浪效应及颗粒驱动示踪效应等基础现象

发表日期: 2017-10-10
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  ,中科院理化所联合清华大学研究组,首次报道了金属液滴可在同类液态金属表面实现冲浪运动的效应,并发现特定金属颗粒可在润湿液态金属表面后持续诱发其发生大范围流动与变形的效应,据此建立了全新的液态金属流场示踪方法,还研发出系列高性能液态金属功能材料 

  在发表于Applied Physics Letters上的题为“Surfing Liquid Metal Droplet on the Same Metal Bath via Electrolyte Interface”Zhao et al., 111, 101603, 2017)的论文中,作者们发现了一类有趣的液态金属冲浪效应(图1):借助电场触发,处于电解液(如0.25 mol/L NaOH)内的液态金属(如GaIn24.5)可在同类液态金属表面上实现悬浮而不互融,且可随界面的流动而滑移,如同顺着海潮的冲浪现象;甚至,若将金属液滴从5 cm高处滴落,当其撞击到金属液池的表面时能够反弹一定的高度,之后再次回落到界面上继续保持悬浮状态一簇金属液滴可以在界面上发生相互碰撞融合,但依然能保持与下部液体相互隔离的状态。造成这一现象的机制在于,由于电势梯度导致的表面张力差可使液态金属-溶液界面产生流动,继而在上部液滴与下部液池之间形成一层不断更新的极薄电解液膜,由此将处在界面上的金属液滴托举了起来。被悬浮的金属液滴体积可从20 μL到3 mL不等,稳定悬浮时长可超过十分钟。这种金属液滴的冲浪效应可通过加载电压的大小来加以灵活调控,一旦撤去电场,悬浮液滴会立刻与下部的金属液池融合在一起。测量发现,上部金属液滴与下部金属液池之间的液膜电阻在~100 ohm量级,借助液膜电阻与厚度关系理论模型,可计算出液膜厚度处于~100 μm量级。液态金属冲浪效应的发现开辟了对于液态金属在液体基底上运动行为的研究,对于深入理解液态金属表面与界面现象,研发全液态可变形电子器件,以及操控液态金属柔性机器等具有重要的科学价值和应用前景。 

  在发表于Advanced Materials Interfaces上的题为“Triggering and Tracing Electro-Hydrodynamic Liquid-Metal Surface Convection with a Particle Raft”Tang et al., 10.1002/admi.201700939, 2017;背封面文章)的论文中,研究小组在偶然的实验中发现这样一个基础现象,即撒落在液态金属表面的铜粉被润湿后能够持续诱发其发生大范围流动与变形(图2,彰显“小颗粒,大作用”。该效应被证实为一种表面张力梯度驱动的流动,而表面张力的不均匀分布来自于有着不同表面电荷密度的金属颗粒与液态金属间的耦合作用。该现象表明,对于液态金属这一独特的流体物质而言,即便只与很小的金属颗粒接触,其自身状态也极易发生改变。有意思的是,黏附于液态金属表面且随其流动的金属颗粒在实验观测中清晰可视,研究人员为此创造性的将颗粒引入作为液态金属流动状态的天然示踪粒子,由此获得了对液态金属流场的可视化和定量化测定,从而揭示了其中的独特对流模式。此前,液态金属由于自身不透明,表面极为光滑,光反射率高,已有的实验技术难以获得其流场信息甚至不能对液态金属内部是否存在流动做出判断,使得相应问题的研究始终处于停滞状态。此项发现为此建立了一种重要的研究工具;同时,利用微小颗粒驱动大尺度流体也为构筑液体表面泵和智能流体系统提供了一种自驱动方案。 

  此外,在实验室前期发现的液态金属胞吞效应基础上,联合团队研发出一系列电学、热学及力学性能可调的高性能液态金属功能材料。在发表于ACS Applied Materials & Interfaces上的题为“Transitional-State Metallic Mixtures (TransM2ixes) with Enhanced and Tuneable Electrical, Thermal and Mechanical Properties”(Tang et al., DOI: 10.1021/acsami.7b10256, 2017)的论文中,研究小组发现,结合液态金属胞吞效应并采用真空干燥的方法快速排除液态金属混合物中的溶液成分,可得到均匀、稳定的功能物质(图3。由此,通过在液态金属中可控性掺入不同比例的铜颗粒,作者们研发出了一系列物态介于液体和固体之间的金属混合物。系列测试揭示出这些材料显著的电学、热学及力学性能:在20%的颗粒质量掺比情况下,分别可获得相对于液态金属约80%的电导率增强和约100%的热导率增强。与此同时,研究还发现,颗粒物的掺入显著的提升了材料对各种基底表面的粘附性以及材料自身的可塑性。这些性质的增强和改变,使得液态金属混合材料在印刷电子电路、3D快速塑形、增材制造以及界面热管理等领域的应用优势更为突出。同时,这种材料可控增强与设计方法的建立,也使得未来制备用以满足特殊需求的液态金属功能材料成为可能。 

  上述有关研究得到中国科学院院长基金、前沿科学重点项目及教育部联合基金资助。 

  论文及视频链接: 

  1. http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4994298 

  2. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.201700939/full 

  3. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b10256 

图1 液态金属冲浪效应及金属液滴-池界面间薄液膜的台阶形电阻响应现象

图2 期刊封面故事及颗粒驱动的液态金属流动及其局部与整体流场可视化结果

图3 功能液态金属材料制备、成分与性能表征及印压塑型等系列应用展示

 

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