通过表面氧化与还原调控液态金属表面张力的方法

本实验的总体目标是演示在电化学电位作用下液态金属的操控方法。该方法可在极大范围内调节液态金属的界面张力，同时阐明氧化物对界面张力的影响。该技术的主要优势在于操作简单、可逆性强，且仅需施加较低的电位即可实现。

该装置已被用于制造几乎完全由液态金属构成的可重构电子器件。进行氧化反应时，将水性电解液倒入培养皿中，用量以使液体深度达到约一至三毫米为宜。使用注射器将一滴镓基合金滴入电解液中。

此处使用共晶镓铟。将直径小于液滴的铜丝插入液态金属中，以构成工作电极。在酸性或碱性条件下，液态金属会润湿铜丝，从而形成良好的电接触。

将一个导电对电极放入溶液中，但不与液态金属接触。如果对电极的电阻小于1欧姆，则其尺寸无关紧要。接着，将导线连接至电压源，并对液态金属施加正电势。

对于微小的形状变形，施加小于一伏的正电压。对于较大的形状变形，施加大于一伏的电压。进行还原时，将液态金属从注射器中滴加一滴至空的培养皿中。

然后，向培养皿中加入中性水溶液电解质，液面需浸没金属。将一根铜线插入液态金属中作为工作电极，将一根导线插入电解质中作为对电极。将导线连接至电压源，并对液态金属施加负电位。

施加约负一伏电压以去除表面氧化层，并使金属从基底上回缩。金属应首先在靠近对电极的一侧开始回缩。继续施加更负的电位以彻底去除氧化层。

避免施加过大的负电压，以防止因电解质被还原而在液态金属上产生氢气泡。使用激光切割机或铣削工具，从聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料的中心向边缘切割出一条通路。切割时不要完全穿透PMMA的整个厚度。

该部件将用作液态金属的基底。使用同一工具，在PMMA中心切割一个1平方毫米的孔。以路径为引导，将一根仅暴露尖端的绝缘铜导线引至PMMA中心。

将导线放置到位，使其在PMMA表面外露出。使用不漏液的粘合剂将导线固定。在PMMA表面正上方剪断导线，但不要使其伸出过长，否则会影响液滴的形状。

将PMMA样品用胶带固定在透明容器内，确保能够获得清晰的图像。将容器置于接触角测量仪中，使液滴的表面轮廓清晰可见。向容器中加入1 M的氢氧化钠溶液。

然后，将 25 至 50 微升的液态金属液滴置于突出的铜线上。该铜线将作为工作电极，并使液滴润湿。将所有电极连接至电化学工作站。

接下来，将铂网对电极和饱和甘汞氯化银参比电极放入溶液中。使用恒电位仪控制相对于参比电极的电压，并利用接触角测量仪测量液滴的形状，从而测定其界面张力。确保接触角测量仪具备测量静滴界面张力的能力。

用一摩尔氢氧化钠溶液填充一根玻璃毛细管，毛细管直径应约为一毫米。将毛细管的一端紧贴一滴液态金属。

将毛细管调整至与桌面表面平行。避免液态金属滴与充满电解质的毛细管之间存在气隙。使用擦拭纸吸去在组装过程中可能泄漏的多余电解质。

将一根铜丝放入液态金属中，并将一个导电对电极置于毛细管的开口端，使其与溶液接触。将导线连接至电压源，并对液态金属施加正电势。此时液态金属应开始填充毛细管。

采用软光刻和复制模塑技术制备由聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成的微流控通道。制备的通道宽度约为100至1,000微米，高度为100微米，长度为25至65毫米。通过手动或使用注射泵注入液态金属，完全填充通道。

使用浸有一摩尔氢氧化钠或一摩尔盐酸的棉签，从通道入口处去除多余的液态金属，使金属表面与PDMS的顶面齐平。将通道一端浸入电解液中，并将阳极放置在与电解液接触但不接触金属的位置。在通道的另一端，将一个独立电极与金属表面接触，使液态金属本身充当阴极。

将这些导线连接到电压源上，并完成电路。对于三电极系统，放置参比电极使其仅轻微浸入电解液液滴中。在施加还原电压之前，将视频摄像机安装在三脚架上或显微镜下，以记录实验过程。

使用自动对焦模式使所有内容清晰对焦。使用手动对焦以更好地控制景深、白平衡和ISO。必要时，使用较大的f值、1/100秒的快门速度、自动白平衡和自动ISO。

开始记录实验。施加约负一伏电压，使液态金属从微通道中回撤。在中性电解质中关闭电压，使金属停止移动。

图中显示的是液态金属在电化学势作用下铺展的接触角测量视频。高度降低表明氧化性电位增强。可通过液滴的曲率确定界面张力。

虚线左侧氧化层缺失的区域表现出典型的电毛细现象。然而，当存在氧化层时，界面张力急剧下降，并随着施加更高电压而进一步降低。对金属施加还原电位可去除氧化层，使其从微通道中回缩。

该图显示了在恒定电压下毛细管回撤的速度分布。随着液态金属被电解质取代，微通道内的电阻增加，导致速度随时间下降。一旦掌握，该技术可在数分钟内完成，有助于科研人员和工程师进一步研究这一独特现象。