Un método para manipular tensión superficial de un metal líquido a través de la oxidación de la superficie y Reducción

El objetivo general de este procedimiento es demostrar la manipulación de metal líquido bajo la influencia de potenciales electroquímicos. Este método ajusta la tensión interfacial del metal líquido en un rango enorme mientras dilucida el papel de los óxidos en la tensión interfacial. El principal atractivo de esta técnica es que es simple, es reversible y solo requiere potenciales muy modestos.

Esta cosa se ha utilizado para fabricar dispositivos electrónicos que son reconfigurables y están compuestos casi en su totalidad de Para realizar la oxidación, vierta un electrolito acuoso en una placa de Petri. Use un volumen que llene el plato a una profundidad de aproximadamente uno a tres milímetros. Use una jeringa para colocar una gota de una aleación a base de galio en el electrolito.

En este caso, se utiliza indio galio eutéctico. Coloque un alambre de cobre con un diámetro menor que el de la gota en el metal líquido para establecer el electrodo de trabajo. En ácido o base, el metal líquido humedecerá el cobre y, por lo tanto, formará un excelente contacto eléctrico.

Coloque un contraelectrodo conductor en la solución, pero no en contacto con el metal líquido. Si el contraelectrodo tiene una resistencia de menos de un ohmio, sus dimensiones son irrelevantes. A continuación, conecte los cables a una fuente de voltaje y aplique un potencial positivo al metal líquido.

Para deformaciones de formas pequeñas, aplique voltajes positivos inferiores a un voltio. Para una deformación de forma más grande, aplique más de un voltio. Para realizar la reducción, dispense una gota del metal líquido de una jeringa en una placa de Petri vacía.

Luego, vierta un electrolito acuoso neutro en la placa de Petri hasta un nivel que sumerja el metal. Coloque un cable de cobre en el metal líquido para que actúe como electrodo de trabajo, y coloque un cable conductor en el electrolito para que actúe como contraelectrodo. Conecte los cables a una fuente de voltaje y aplique un potencial negativo al metal líquido.

Aplique aproximadamente menos un voltio para eliminar el óxido de la superficie y hacer que el metal se deshumedezca del sustrato. El metal debe deshumedecerse primero en el lado más cercano al contraelectrodo. Aplique más potenciales negativos para eliminar la capa de óxido por completo.

Evite aplicar voltajes negativos excesivamente grandes para evitar que aparezcan burbujas de hidrógeno en el metal líquido debido a la reducción del electrolito. Con una cortadora láser o una herramienta de fresado, corte un camino directo desde el centro hasta el borde de una pieza de polimetilmetacrilato o PMMA. No corte el camino a través del espesor del PMMA.

Esta pieza servirá como sustrato para el metal líquido. Con la misma herramienta, corte un agujero de un milímetro cuadrado a través del centro del PMMA. Usando el camino como guía, pase un cable de cobre aislado con solo la punta expuesta, hasta el centro del PMMA.

Coloque el cable de manera que sobresalga sobre la superficie de PMMA. Selle el cable en su lugar con un adhesivo a prueba de fugas. Corta el alambre justo por encima de la superficie del PMMA, pero no dejes que se extienda demasiado o alterará la forma de la gota.

Pega la pieza de PMMA en un recipiente transparente a través del cual se pueda obtener una imagen nítida. Coloque el recipiente en un goniómetro de ángulo de contacto de modo que el perfil de la superficie de la gota sea claramente visible. Llene el recipiente con un molar de hidróxido de sodio.

Luego, coloque una gota de 25 a 50 microlitros de metal líquido en el alambre de cobre que sobresale. Este alambre servirá como electrodo de trabajo y humedecerá la gota. Conecte todos los electrodos a un potenciostato.

A continuación, coloque un contraelectrodo de malla de platino y un electrodo de referencia de cloruro de plata saturado en la solución. Utilice el potenciostato para controlar el voltaje con respecto al electrodo de referencia, y utilice el goniómetro para medir la forma y, por lo tanto, la tensión interfacial de la gota. Asegúrese de que el goniómetro sea capaz de medir la tensión interfacial de la gota sésil.

Llene un capilar de vidrio con una solución de hidróxido de sodio molar. El diámetro del capilar debe ser de aproximadamente un milímetro. Coloque un extremo del capilar al ras contra una gota de metal líquido.

Alinee el capilar de modo que quede paralelo a la superficie de la mesa. Evite los espacios de aire entre la gota de metal líquido y el capilar lleno de electrolito. Con una toallita, limpie cualquier exceso de electrolito que pueda haberse filtrado durante el montaje.

Coloque un alambre de cobre en el metal líquido y un contraelectrodo conductor en el extremo abierto del capilar para que entre en contacto con la solución. Conecte los cables a una fuente de voltaje y aplique un potencial positivo al metal líquido. El metal líquido debe comenzar a llenar el capilar.

Utilice técnicas de moldeo litográfico suave y réplicas para fabricar canales microfluídicos compuestos de polidimetilsiloxano o PDMS. Fabrica canales de aproximadamente 100 a 1.000 micras de ancho, 100 micras de alto y de 25 a 65 milímetros de largo. Inyecte metal líquido manualmente o usando una bomba de jeringa, para llenar el canal por completo.

Usando un hisopo de algodón que se haya sumergido en hidróxido de sodio molar o cloruro de hidrógeno molar, elimine las cantidades excesivas de metal líquido de la entrada del canal para que el metal permanezca al ras con la superficie superior del PDMS. Sumerja un extremo del canal en el electrolito y coloque el ánodo de manera que toque el electrolito pero no el metal. En el otro extremo del canal, haga contacto con un electrodo separado a la superficie metálica para que el metal líquido actúe como cátodo.

Conecte estos cables a una fuente de voltaje y complete el circuito eléctrico. Para un sistema de tres electrodos, coloque el electrodo de referencia de manera que apenas se sumerja en la gota de electrolito. Antes de aplicar un voltaje reductor, monte una cámara de video en un trípode o en un microscopio para grabar los experimentos.

Utilice el modo de enfoque automático para enfocar todo. Utilice el enfoque manual para tener un mejor control sobre la profundidad de campo, el balance de blancos y el ISO. Según sea necesario, utilice un número f más alto, una velocidad de obturación de una centésima de segundo, un balance de blancos automático y un ISO automático.

Empieza a grabar el experimento. Aplique aproximadamente menos un voltio para retirar el metal líquido de los microcanales. Apague el voltaje para que el metal deje de moverse en el electrolito neutro.

Aquí se muestra un video de goniómetro del metal líquido extendiéndose bajo la influencia del potencial electroquímico. Una disminución de la altura significa un mayor potencial oxidativo. La tensión interfacial se puede determinar a partir de la curvatura de la gota.

La región a la izquierda de la línea punteada donde está ausente la capa de óxido muestra un comportamiento electrocapilar típico. Sin embargo, cuando la capa de óxido está presente, la tensión interfacial muestra una disminución precipitada, disminuyendo aún más a medida que se aplican voltajes más grandes. La aplicación de un potencial reductor al metal elimina el óxido y hace que se retire de los microcanales.

Este gráfico muestra el perfil de velocidad de la extracción capilar a un voltaje constante. A medida que el metal líquido se reemplaza con electrolito, la resistencia eléctrica en el microcanal aumenta, lo que provoca una caída en la velocidad con el tiempo. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en cuestión de minutos y debería permitir a los científicos e ingenieros estudiar más a fondo este fenómeno único.