清華大學劉靜團隊：千變萬化的液態(tài)金屬氣泡

來源： 高分子科學前沿

五彩斑斕的肥皂泡是每個人的童年記憶！如果仔細觀察，會發(fā)現這樣的泡狀物幾乎存在于日常生活的方方面面，例如雨后的池塘、爐上的沸水乃至日光下產生氧氣的綠藻中。液體泡的產生與表面張力有著密不可分的關系。而常見的泡狀物大多在水基或脂基溶液體系中產生，這些溶液的表面張力通常低于100mN/m。試想，若在表面張力遠大于這個數值的液體系統(tǒng)中研究該行為，那么到底會產生什么樣的氣泡以及它們會否表現出更為奇異的現象、行為及應用呢？

近日，清華大學與中科院理化技術研究所聯(lián)合研究小組以表面張力可達水的9倍的液態(tài)金屬為基礎，構建出一種全新概念的液態(tài)金屬氣泡系統(tǒng)。通過在液態(tài)金屬中構建“成氧化膜”及“去氧化膜”環(huán)境對其表面氧化膜予以調控，從而實現了對液態(tài)金屬表面的精確調節(jié)。這一成果以”Liquid metal bubbles”為題發(fā)表在Applied Materials Today上，論文第一作者是清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系博士后袁博，通訊作者為清華大學與中科院理化所雙聘教授劉靜。

圖1 日常場景中常見的氣泡及液態(tài)金屬氣泡相關原理

圖2. 液態(tài)金屬在不同介質中表面氧化膜性質表征

實驗中，研究者們選取了空氣、0.5mol/L氫氧化鈉溶液及質量分數為30%過氧化氫溶液作為介質環(huán)境，以鎵銦合金（eGaIn）及鎵銦錫合金（Galinstan）作為反應金屬，向其中以不同流速充入氣體。根據充氣速率的不同，可觀察到液態(tài)金屬表面鼓起，并形成周期性的半球形氣泡。圖3及圖4展示了不同介質環(huán)境下eGaIn及Galinstan氣泡生成至破滅的全周期過程，主要分為初始、膨脹、消失及破滅四個階段?？梢钥吹?，液態(tài)金屬氣泡的形態(tài)及存續(xù)時間受到流速、環(huán)境及金屬種類等因素的影響，可以通過調節(jié)這三項參數實現對氣泡尺寸及壽命的定量調控。值得注意的是，在過氧化氫溶液環(huán)境中，鎵銦錫合金中所產生的液態(tài)金屬泡泡可以穩(wěn)定維持18個小時以上，這是傳統(tǒng)種類的氣泡很難做到的。

圖3. 不同介質環(huán)境下eGaIn氣泡生成至破滅的全周期過程

圖4. 不同介質環(huán)境下Galinstan氣泡生成至破滅的全周期過程及相關性質

圖5. 不同介質對液態(tài)金屬表面氧化膜的調控作用

不同于傳統(tǒng)氣泡的是，液態(tài)金屬氣泡的氣泡壁表現為氧化物-液態(tài)金屬-氧化物的三明治結構。如果進一步將輸入液態(tài)金屬中的空氣換成其它介質溶液，構成介質溶液-輸入溶液雙流體系統(tǒng)，通過對“成膜劑”和“去膜劑”的不同組合，可以實現對液態(tài)金屬表面更為多樣的形態(tài)調控。圖6展示了雙流體系統(tǒng)下液態(tài)金屬表面的多形態(tài)調控，實現了包括洞狀及多氣泡簇狀等較為復雜的結構，并對各結構的尺寸、壽命等基本性質進行了研究。

圖6. 雙流體系統(tǒng)下的液態(tài)金屬表面生成的復雜結構及性質表征

液態(tài)金屬氧化膜的電阻和液態(tài)金屬本身有著很大的差異，包括粘性、電阻率及化學性質。研究中借助控制液態(tài)金屬表面氧化膜的生成與去除，可對液態(tài)金屬表面形態(tài)實施調控，且可通過蠕動泵實現對其表面形態(tài)的周期性控制。基于上述事實，作者們提出并設計出一種周期性變化的控制部件?；趩螝馀荨⒍礌罴斑@三個基本模式，可以利用其性質建立起更為復雜的電路結構，例如與或非邏輯部件（圖7）。其中，“與”門（AND）的輸入信號的電極位置可以安排在距氣泡生成點中心一個氣泡半徑至脊狀結構最大半徑之間，只有生成多個氣泡構成脊狀結構時電路才能連通；“或”門（OR）可以是將輸入端放置于多個生成點區(qū)域，只要有一個氣泡生成即可連通；而“非”門（NOT）則基于洞狀結構設計，在洞狀結構未生成時，電路處于連通狀態(tài)，洞狀結構生成后，一旦其半徑足夠大，電極即與之脫離接觸，此時電路斷開。這種調控方法僅需改變介質溶液與輸入溶液的種類即可實現，為構建基于化學變化的邏輯器件電路提供了新的可能性。

圖5 基于對液態(tài)金屬表面形態(tài)調控的周期性電路設計

進一步地，可以利用這一性質對液態(tài)金屬進行陣列式多點多形態(tài)調控。圖7展示了一種可對液態(tài)金屬表面進行多點調控的陣列設計。當通氣量較小時，生成的氣泡直徑較小，彼此間不互相接觸，保持獨立存在。利用這一點，可以對一整片區(qū)域的液態(tài)金屬表面進行定點塑形。此外，氣體的輸入可以被該種方式轉換為可視化的氧化膜形態(tài)改變，對新型的立體顯示乃至信息存儲技術都有一定的啟發(fā)意義。

圖5 基于對液態(tài)金屬表面形態(tài)調控的周期性電路設計

這項研究提出了一種新的無需外加電磁場即可對液態(tài)金屬表面進行精準調控的方法，對液態(tài)金屬未來在軟體機器人、邏輯電路及水下電路等方面的應用會起到積極的促進作用。
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DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101151