中國科學院理化所&清華大學研究組：發現液態金屬沖浪效應及顆粒驅動示蹤效應

【成果簡介】

近日，中國科學院理化所聯合清華大學研究組，首次報道了金屬液滴可在同類液態金屬表面實現沖浪運動的效應，并發現特定金屬顆粒可在潤濕液態金屬表面后持續誘發其發生大范圍流動與變形的效應，據此建立了全新的液態金屬流場示蹤方法，并研發出系列高性能液態金屬功能材料。研究團隊以“Surfing Liquid Metal Droplet on the Same Metal Bath via Electrolyte Interface”為題的論文發表在Applied Physics Letters上，科研人員發現了一類有趣的液態金屬沖浪效應（圖1）：借助電場觸發，處于電解液（如0.25 mol/L NaOH）內的液態金屬（如GaIn24.5）可在同類液態金屬表面上實現懸浮而不互融，且可隨界面的流動而滑移，如同順著海潮的沖浪現象；若將金屬液滴從5?cm高處滴落，當其撞擊到金屬液池的表面時能夠反彈一定的高度，之后再次回落到界面上繼續保持懸浮狀態；一簇金屬液滴可在界面上發生相互碰撞融合，能保持與下部液體相互隔離的狀態。造成這一現象的機制在于，電勢梯度導致的表面張力差可使液態金屬-溶液界面產生流動，繼而在上部液滴與下部液池之間形成一層不斷更新的極薄電解液膜，將處在界面上的金屬液滴托舉起來。被懸浮的金屬液滴體積可從20?μL到3?mL不等，穩定懸浮時長可超過十分鐘。這種金屬液滴的沖浪效應可通過加載電壓的大小來加以靈活調控，一旦撤去電場，懸浮液滴會立刻與下部的金屬液池融合在一起。測量發現，上部金屬液滴與下部金屬液池之間的液膜電阻在~100?ohm量級，借助液膜電阻與厚度關系理論模型，可計算出液膜厚度處于~100?μm量級。液態金屬沖浪效應的發現，開辟了對于液態金屬在液體基底上運動行為的研究，對深入理解液態金屬表面與界面現象，研發全液態可變形電子器件，以及操控液態金屬柔性機器等具有重要的科學價值和應用前景。 ?　　

【圖文導讀】

圖1 液態金屬沖浪效應及金屬液滴-池界面間薄液膜的臺階形電阻響應現象?

圖2 期刊封面故事及顆粒驅動的液態金屬流動及其局部與整體流場可視化結果

【研究內容】

題為“Triggering and Tracing Electro-Hydrodynamic Liquid-Metal Surface Convection with a Particle Raft”的論文發表在Advanced Materials Interfaces上，研究小組在偶然的實驗中發現一個基礎現象，即撒落在液態金屬表面的銅粉被潤濕后能夠持續誘發其發生大范圍流動與變形（圖2），彰顯“小顆粒，大作用”。該效應被證實為一種表面張力梯度驅動的流動，表面張力的不均勻分布來自于有著不同表面電荷密度的金屬顆粒與液態金屬間的耦合作用。該現象表明，對于液態金屬這一獨特的流體物質而言，即便只與很小的金屬顆粒接觸，其自身狀態也極易發生改變。黏附于液態金屬表面且隨其流動的金屬顆粒在實驗觀測中清晰可視，研究人員為此創造性的將顆粒引入作為液態金屬流動狀態的天然示蹤粒子，獲得了對液態金屬流場的可視化和定量化測定，從而揭示了其中的獨特對流模式。此前，液態金屬由于自身不透明，表面極為光滑，光反射率高，已有的實驗技術難以獲得其流場信息，甚至不能對液態金屬內部是否存在流動做出判斷，使相應問題的研究始終處于停滯狀態。此項發現為此建立了重要的研究工具；利用微小顆粒驅動大尺度流體也為構筑液體表面泵和智能流體系統提供了自驅動方案。此外，在實驗室前期發現的液態金屬胞吞效應基礎上，聯合團隊研發出一系列電學、熱學及力學性能可調的高性能液態金屬功能材料。科研人員在ACS Applied Materials & Interfaces上發表的題為“Transitional-State Metallic Mixtures (TransM2ixes) with Enhanced and Tuneable Electrical, Thermal and Mechanical Properties”的論文，研究小組發現，結合液態金屬胞吞效應并采用真空干燥的方法快速排除液態金屬混合物中的溶液成分，可得到均勻、穩定的功能物質。由此，通過在液態金屬中可控性摻入不同比例的銅顆粒，研究人員研發出了一系列物態介于液體和固體之間的金屬混合物。系列測試揭示出這些材料顯著的電學、熱學及力學性能：在20%的顆粒質量摻比情況下，分別可獲得相對于液態金屬約80%的電導率增強和約100%的熱導率增強。同時，研究發現，顆粒物的摻入顯著的提升了材料對各種基底表面的粘附性以及材料自身的可塑性。這些性質的增強和改變，使液態金屬混合材料在印刷電子電路、3D快速塑形、增材制造以及界面熱管理等領域的應用優勢更突出。這種材料可控增強與設計方法的建立，也使未來制備用以滿足特殊需求的液態金屬功能材料成為可能。上述研究得到中科院院長基金、前沿科學重點項目及教育部聯合基金的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201710/t20171011_4617248.shtml

文獻鏈接：Surfing Liquid Metal Droplet on the Same Metal Bath via Electrolyte Interface?(Appl. Phys. Lett., 2017, DOI:?http://dx.doi.org/10.1063/1.4994298)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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