Eine Methode, die Oberflächenspannung eines Liquid Metal manipulieren via Oberfläche Oxidation und Reduktion

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Manipulation von flüssigem Metall unter dem Einfluss elektrochemischer Potentiale zu demonstrieren. Diese Methode stimmt die Grenzflächenspannung von flüssigem Metall über einen enormen Bereich ab und klärt gleichzeitig die Rolle von Oxiden auf die Grenzflächenspannung auf. Der Hauptreiz dieser Technik besteht darin, dass sie einfach und reversibel ist und nur sehr bescheidene Potenziale erfordert.

Dieses Ding wurde verwendet, um elektronische Geräte herzustellen, die rekonfigurierbar sind und fast vollständig aus Um die Oxidation durchzuführen, gießen Sie einen wässrigen Elektrolyten in eine Petrischale. Verwenden Sie ein Volumen, das die Schale bis zu einer Tiefe von etwa einem bis drei Millimetern füllt. Verwenden Sie eine Spritze, um einen Tropfen einer Legierung auf Galliumbasis in den Elektrolyten zu geben.

Hier kommt eutektisches Gallium-Indium zum Einsatz. Legen Sie einen Kupferdraht mit einem Durchmesser kleiner als der des Tropfens in das flüssige Metall, um die Arbeitselektrode zu etablieren. In Säure oder Base benetzt das flüssige Metall das Kupfer und bildet dadurch einen hervorragenden elektrischen Kontakt.

Legen Sie eine leitende Gegenelektrode in die Lösung, aber nicht in Kontakt mit dem flüssigen Metall. Wenn die Gegenelektrode einen Widerstand von weniger als einem Ohm hat, spielen ihre Abmessungen keine Rolle. Schließen Sie als Nächstes die Drähte an eine Spannungsquelle an und legen Sie ein positives Potential an das flüssige Metall an.

Für kleine Formverformungen legen Sie positive Spannungen von weniger als einem Volt an. Für größere Formverformungen legen Sie mehr als ein Volt an. Um eine Reduktion durchzuführen, geben Sie einen Tropfen des flüssigen Metalls aus einer Spritze in eine leere Petrischale.

Dann wird ein neutraler wässriger Elektrolyt in die Petrischale bis zu einem Niveau gebracht, das das Metall untertaucht. Legen Sie einen Kupferdraht in das flüssige Metall, um als Arbeitselektrode zu fungieren, und platzieren Sie einen leitenden Draht in den Elektrolyten, um als Gegenelektrode zu fungieren. Schließen Sie die Drähte an eine Spannungsquelle an und legen Sie ein negatives Potential an das flüssige Metall an.

Wenden Sie etwa minus ein Volt an, um das Oberflächenoxid zu entfernen und das Metall vom Substrat zu entfeuchten. Das Metall sollte zuerst auf der Seite entfeuchtet werden, die der Gegenelektrode am nächsten liegt. Wenden Sie mehr negative Potentiale an, um die Oxidschicht vollständig zu entfernen.

Vermeiden Sie das Anlegen zu großer negativer Spannungen, um zu verhindern, dass aufgrund der Reduzierung des Elektrolyten Wasserstoffblasen auf dem Flüssigmetall entstehen. Schneiden Sie mit einem Laserschneider oder Fräswerkzeug einen direkten Weg von der Mitte zum Rand eines Stücks Polymethylmethacrylat oder PMMA. Schneiden Sie den Pfad nicht vollständig durch die Dicke des PMMA.

Dieses Stück dient als Substrat für das flüssige Metall. Schneiden Sie mit dem gleichen Werkzeug ein ein Quadratmillimeter großes Loch durch die Mitte des PMMA. Führen Sie einen isolierten Kupferdraht, bei dem nur die Spitze freiliegt, mit dem Pfad zur Mitte des PMMA.

Positionieren Sie den Draht so, dass er über die PMMA-Oberfläche hinausragt. Versiegeln Sie den Draht mit einem auslaufsicheren Klebstoff. Schneiden Sie den Draht knapp über der Oberfläche des PMMA ab, aber lassen Sie ihn nicht zu weit hinausragen, da er sonst die Form des Tropfens stört.

Kleben Sie das PMMA-Stück in einen durchsichtigen Behälter, durch den ein klares Bild erhalten werden kann. Stellen Sie den Behälter so in ein Kontaktwinkel-Goniometer, dass das Oberflächenprofil des Tropfens deutlich sichtbar ist. Füllen Sie den Behälter mit einem molaren Natriumhydroxid.

Geben Sie dann einen 25 bis 50 Mikroliter großen Tropfen Flüssigmetall auf den hervorstehenden Kupferdraht. Dieser Draht dient als Arbeitselektrode und benetzt das Tröpfchen. Schließen Sie alle Elektroden an einen Potentiostaten an.

Legen Sie als Nächstes eine Gegenelektrode aus Platinnetz und eine Referenzelektrode mit gesättigtem Silbersilberchlorid in die Lösung. Mit dem Potentiostaten wird die Spannung in Bezug auf die Referenzelektrode geregelt und mit dem Goniometer die Form und damit die Grenzflächenspannung des Abfalls gemessen. Stellen Sie sicher, dass das Goniometer in der Lage ist, die Grenzflächenspannung des sitzenden Tropfens zu messen.

Füllen Sie eine Glaskapillare mit einer Lösung aus einem molaren Natriumhydroxid. Der Kapillardurchmesser sollte etwa einen Millimeter betragen. Legen Sie ein Ende der Kapillarbündigkeit gegen einen Tropfen flüssiges Metall.

Richten Sie die Kapillare so aus, dass sie parallel zur Oberfläche des Tisches ist. Vermeiden Sie Luftspalte zwischen dem Flüssigmetalltropfen und der mit Elektrolyt gefüllten Kapillare. Tupfen Sie mit einem Tuch überschüssigen Elektrolyten ab, der während der Montage ausgelaufen ist.

Legen Sie einen Kupferdraht in das flüssige Metall und eine leitfähige Gegenelektrode in das offene Ende der Kapillare, so dass sie mit der Lösung in Kontakt kommt. Schließen Sie die Drähte an eine Spannungsquelle an und legen Sie ein positives Potential an das flüssige Metall an. Das flüssige Metall sollte beginnen, die Kapillare zu füllen.

Verwenden Sie weiche lithographische und nachgebildete Formtechniken, um mikrofluidische Kanäle aus Polydimethylsiloxan oder PDMS herzustellen. Stellen Sie Kanäle her, die etwa 100 bis 1.000 Mikrometer breit, 100 Mikrometer hoch und 25 bis 65 Millimeter lang sind. Injizieren Sie flüssiges Metall entweder manuell oder mit einer Spritzenpumpe, um den Kanal vollständig zu füllen.

Entfernen Sie mit einem Wattestäbchen, das in ein molares Natriumhydroxid oder einen molaren Chlorwasserstoff getaucht wurde, überschüssige Mengen an flüssigem Metall aus dem Einlass des Kanals, so dass das Metall bündig mit der Oberseite des PDMS bleibt. Tauchen Sie ein Ende des Kanals in Elektrolyt und platzieren Sie die Anode so, dass sie den Elektrolyten, aber nicht das Metall berührt. Am anderen Ende des Kanals wird eine separate Elektrode mit der Metalloberfläche in Kontakt gebracht, so dass das flüssige Metall selbst als Kathode fungiert.

Schließen Sie diese Drähte an eine Spannungsquelle an und schließen Sie den Stromkreis ab. Bei einem System mit drei Elektroden platzieren Sie die Referenzelektrode so, dass sie kaum in den Elektrolyttropfen eintaucht. Montieren Sie vor dem Anlegen einer Reduzierspannung eine Videokamera auf einem Stativ oder in einem Mikroskop, um die Experimente aufzuzeichnen.

Verwenden Sie den Autofokus-Modus, um alles scharf zu stellen. Nutzen Sie den manuellen Fokus, um eine bessere Kontrolle über Schärfentiefe, Weißabgleich und ISO zu erhalten. Verwenden Sie bei Bedarf eine höhere Blende, eine Verschlusszeit von einer Hundertstelsekunde, den automatischen Weißabgleich und die automatische ISO-Einstellung.

Starten Sie die Aufzeichnung des Experiments. Anlegen von ca. minus einem Volt, um das flüssige Metall aus den Mikrokanälen zu ziehen. Schalten Sie die Spannung aus, damit sich das Metall nicht mehr im Neutralelektrolyten bewegt.

Hier ist ein Goniometer-Video zu sehen, das zeigt, wie sich das flüssige Metall unter dem Einfluss des elektrochemischen Potentials ausbreitet. Eine Abnahme der Körpergröße bedeutet ein stärker oxidatives Potenzial. Die Grenzflächenspannung kann aus der Krümmung des Tröpfchens bestimmt werden.

Der Bereich links von der gestrichelten Linie, in dem die Oxidschicht fehlt, zeigt das typische elektrokapillare Verhalten. Wenn jedoch die Oxidschicht vorhanden ist, zeigt die Grenzflächenspannung einen steilen Abfall, der mit größeren Spannungen weiter abnimmt. Durch das Anlegen eines Reduktionspotentials an das Metall wird das Oxid entfernt und es zieht sich aus den Mikrokanälen zurück.

Diese Grafik zeigt das Geschwindigkeitsprofil der Kapillarentnahme bei konstanter Spannung. Wenn das flüssige Metall durch Elektrolyt ersetzt wird, nimmt der elektrische Widerstand im Mikrokanal zu, was im Laufe der Zeit zu einem Abfall der Geschwindigkeit führt. Einmal gemeistert, kann diese Technik in wenigen Minuten durchgeführt werden und sollte es Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichen, dieses einzigartige Phänomen weiter zu untersuchen.