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Phy.Rev.let.:神奇的液態金屬雪花

指型分支圖案往往可以通過多種不同的擴散機制而產生:粘性擴散、定向凝固、零表面張力流體、細菌菌落生長、介電擊穿等等。液態金屬由於其在熱學、光學、電學等等領域具有特殊的性質而具有許多潛在的應用價值。但是,已知的,任何的室溫金屬流體的表面張力都非常大,導致難以流動,所以不太可能形成指型分支圖案。

而來自美國北卡羅來納州立大學的一個科研團隊發現液態金屬液滴可以長成雪花狀。他們試圖用一滴液態鎵銦合金作為電化學電池中的電極時,發現了一些奇怪的現象:在幾秒鐘內,金屬開始擴散成為雪花般的形狀。這對於具有很大表面張力的液體來說,是很不尋常的行為,因為它們很難擴散,更不要說形成這樣的圖案了。

液態金屬雪花的裝置圖和過程示意圖

(來源:Phy.Rev. let.)

然而,施加中等電壓會引起鎵銦合金與周圍電解質(氫氧化鈉的水溶液)之間的反應。金屬表面逐會被氧化,這會降低其表面張力,同樣地,氫氧化鈉也會降低水的表面張力。由於重力,液態金屬會擴散成如圓盤狀,而其表面受到的干擾繼續將其邊緣分解成單個的「花瓣」。隨著它們的生長,花瓣會分裂成更多的分枝,就這樣形成複雜的指型分支圖案。

形成液態金屬雪花的動力學分析

(來源:Phy.Rev. let.)

最大的液態金屬雪花尺寸大約是原始液滴的20倍,並且是在不到半分鐘的時間內快速形成。有趣的是,研究人員發現,這種效應只能在2V左右的窄電壓範圍下才會出現。如果電壓較之2V太低,則金屬液滴的表面氧化效果太弱,不足以擾亂其形狀。而如果電壓太高,則液態金屬表面的氧化層會變得太過厚實而不會出現金屬液滴擴散和破裂的現象。

電勢與體積的關係

(來源:Phy.Rev. let.)

經過實驗後表明,表面化學氧化過程有效地降低了界面張力,並驅使鎵銦液態合金產生不穩定性,一直到氧化物變得太厚並且阻礙進一步的氧化。這種液態金屬行為令人頗感興趣,原因有多種:它表明可以通過調節氧化層以產生液態金屬的不穩定性並且還可以最終停止金屬的不穩定狀態;它表面可以使用適度的電壓來定位和控制在液體界面處的壓應力;它具有被應用於需要可重構形狀導體的設備中的潛力。此外,測量的數據展示了一類新的自相似動力學模型,確定局部效應與非局部效應的相關性將是分析這一模型的關鍵。以簡單,低功耗和可擴展的方式來改變金屬形狀的能力,可以幫助創建新型電子設備。液態金屬已經開始應用於小型化交通工具里,比如車輪。未來的工作將集中在量化控制壓應力方面,包括時間動力學和應用潛能的開發。如果我們可以精確地控制液態金屬的形狀,那麼就可以幫助我們設計新型的軟電子產品。

論文鏈接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.174502

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