Name: Un método para manipular tensión superficial de un metal líquido a través de la oxidación de la superficie y Reducción (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-26T19:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 20 s
Description: Aprende a manipular la tensión interfacial de metales líquidos mediante oxidación y reducción electroquímica de óxidos superficiales. Este método reversible utiliza voltajes modestos para controlar el comportamiento capilar en dispositivos electrónicos reconfigurables.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Los autores agradecen el apoyo de Samsung, los Fondos de Innovación de los Cancilleres del Estado de Carolina del Norte, NSF (CAREER CMMI-0954321 y Triangle MRSEC DMR-1121107) y los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea.

1. La manipulación de la tensión interfacial de Liquid Metal en electrolitos <ol><li> Oxidación <ol><li> Verter un electrolito acuoso (ácido o básico) en una placa de Petri. Para asegurar que el óxido se elimina por completo, utilice un ácido o base con una concentración superior a 0,1 M 24 (por ejemplo, 1 M de NaOH o HCl 1 M). Utilice un volumen que va a llenar el plato hasta una profundidad de aproximadamente 1-3 mm. Evite el contacto con la piel con estas soluciones. </li><li> Utilice una jeringa para colocar una gota (de manera óptima entre de 10-500 l) de una aleación a base de galio en el electrolito. Los ejemplos incluyen indio eutéctica de galio (EGAIN) o de indio y estaño de galio (galinstan). Si se utiliza galio puro, calentar el electrolito a por lo menos 30 ° C para evitar la congelación. </li><li> Colocar un alambre de cobre en el metal líquido para establecer el electrodo de trabajo. Utilice un alambre de cobre con un diámetro menor que la de la caída, y utilizar un multímetro digital de acuerdo con las instrucciones del fabricante al correosegurar que el alambre tiene una resistencia de &lt;1 Ω. En ácido o base, el metal líquido mojará el cobre y formar de este modo un excelente contacto eléctrico. </li><li> Coloque una realización de contra-electrodo (por ejemplo, cobre, grafito, platino, etc.) en la solución, pero no en contacto con el metal líquido. Si el contra-electrodo tiene una resistencia de &lt;1 Ω, sus dimensiones son irrelevantes. </li><li> Conecte los cables a una fuente de tensión y aplicar un potencial positivo para el metal líquido. Por pequeña forma deformación, aplique tensiones positivas &lt;1 V. Por deformación de la forma más grande (y el movimiento del metal líquido hacia el contra-electrodo), aplique&gt; 1 V. Nota: La concentración de la solución y la distancia de la caída de la contra-electrodo dictan la tensión necesaria para inducir cambios en la tensión interfacial ya que la tasa de oxidación de la superficie electroquímica compite con la velocidad de disolución de óxido por el electrolito. </li></ol></li&gt; <li> Reducción <ol><li> Dispense una gota (10-500 l) del metal líquido de una jeringa en un plato de Petri vacía. </li><li> Verter un electrolito acuosa neutra en la placa de Petri (M fluoruro de sodio por ejemplo 1 (NaF) o cloruro de sodio 1 M (NaCl)) a un nivel que se sumerge el metal. Nota: El uso de un ácido (pH &lt;3) o solución básica (pH&gt; 10) hará que el óxido se disuelva espontáneamente. </li><li> Colocar un alambre de cobre en el metal líquido para que actúe como un electrodo de trabajo y un alambre conductor (por ejemplo, cobre) en el electrolito para actuar como el contra-electrodo. </li><li> Conecte los cables a una fuente de tensión y aplicar un potencial negativo al metal líquido. Aplicar aproximadamente -1 V para eliminar el óxido de la superficie y hacer que el metal para Dewet del sustrato. El metal debe Dewet en el lado más cercano a la contra-electrodo. </li><li> Aplicar potenciales más negativos (&lt;-1 V) para eliminar la capa de óxido por completo. Evitar la aplicación de excesivamente grandes tensiones negativas para evitar burbujas de hidrógeno de aparecer en el metal líquido debido a la reducción del electrolito. </li></ol></li></ol> 2. Superficie de medición de la tensión a través albar Gotita <ol><li> Usando un cortador láser o herramienta de fresado, corte un camino directo desde el centro hasta el borde de una pieza de polimetilmetacrilato (PMMA) (~ 1 mm de espesor) No corte la trayectoria de todo el camino a través del espesor de la PMMA.; Sólo cortado a mitad de camino a través. Esta pieza servirá como un sustrato para el metal líquido. Otros materiales planos y eléctricamente aislantes, tales como vidrio, cerámica, o polímeros también pueden servir como sustrato. </li><li> Con la misma herramienta, cortar un agujero 1 mm 2 a través del centro de la PMMA. </li><li> Mediante la ruta como una guía, ejecute un alambre de cobre aislado con sólo la punta expuesta al centro de la PMMA. Coloque el cable de modo que sobresale sobre la superficie PMMA. Sellar el cable en su lugar con un adhesivo a prueba de fugas. Corteel cable justo por encima de la superficie del PMMA, pero no dejes que se extienda demasiado (más allá de ~ 100 m) o se perturbe la forma de la gota. </li><li> Tape la pieza PMMA hacia abajo en un recipiente transparente a través del cual se puede obtener una imagen clara. Llene el recipiente con 1 M NaOH, y colocar una gota de 25 a 50 l de metal líquido en el alambre de cobre que sobresale. Este alambre servirá como el electrodo de trabajo y mojará la gotita. </li><li> Colocar una malla de platino contra-electrodo y una de plata / cloruro de plata saturada (Ag / AgCl) electrodo de referencia en la solución. Conectar todos los electrodos a un potenciostato. </li><li> Coloque el recipiente en un goniómetro de ángulo de contacto de modo que el perfil de superficie de la gota es claramente visible. Utilice el potenciostato para controlar el voltaje con respecto al electrodo de referencia, y utilizar el goniómetro para medir la forma y por lo tanto la tensión interfacial de la gota. Asegúrese de que el goniómetro es capaz de medir la gota sésil tensi interfacialen; también es posible utilizar el análisis de forma personalizada axisymmetric de imágenes gota tomadas de una cámara montada horizontalmente 25. </li></ol> 3. capilar Inyección <ol><li> Llenar un capilar de vidrio con una solución de 1 M NaOH. El diámetro capilar debe ser ~ 1 mm. </li><li> Coloque un extremo del capilar ras contra una gota de metal líquido. Alinear el capilar de modo que sea paralelo a la superficie de la mesa (es decir, perpendicular a la gravedad). Evite espacios de aire entre la caída de metal líquido y electrolitos capilar lleno. Usando un trapo, aplique el exceso de electrolitos que pueden haber escapado durante el montaje. </li><li> Coloque un alambre de cobre (electrodo de trabajo) en el metal líquido, y un contra-electrodo conductor (por ejemplo, cable de cobre) en el extremo abierto del capilar de modo que entra en contacto con la solución. </li><li> Conecte los cables a una fuente de tensión y aplicar un potencial positivo para el metal líquido. El metal líquido debe comenzar llenando el capillary (evitar grandes potenciales que causan la formación de exceso de burbujas en el contra-electrodo). </li></ol> 4. capilar Retiro <ol><li> Utilizar técnicas de moldeo litográfica 26 y réplica suaves para fabricar canales de microfluidos compuestas de polidimetilsiloxano (PDMS). Fabrique canales que son aproximadamente de 100 a 1000 m de ancho, 100 m de altura, y de 25 a 65 mm de largo. Nota: Las dimensiones del canal 1000 micras de ancho, 100 m de altura, y 65 mm de largo del canal producido resultados consistentes, pero otros también pueden trabajar. Como alternativa, utilice los capilares de vidrio (por ejemplo, 1 mm de diámetro, de vidrio borosilicato) en lugar de microcanales PDMS. </li><li> Inyectar metal líquido ya sea manualmente o usando una bomba de jeringa para llenar el canal completo (es decir, 6,5 mm 3 para un canal largo 1000 m de ancho, 100 m de altura, y 65 mm). </li><li> El uso de un hisopo de algodón que se ha sumergido en 1 M de NaOH o HCl 1 M, eliminar el exceso de cantidades de liquid de metal desde la entrada (y, si es necesario, la salida) del canal, de modo que el metal se mantiene a ras de la superficie superior de los PDMS. </li><li> Sumergir un extremo del canal en el electrolito (por ejemplo, NaCl 1 M), y colocar el ánodo (por ejemplo, cables de cobre, platino, o tungsteno) de tal manera que toca el electrolito, pero no el metal. </li><li> En el otro extremo del canal, en contacto con un electrodo separado (por ejemplo, alambre de Cu) a la superficie metálica de manera que en sí metal líquido actúa como un cátodo. </li><li> Conectar estos cables (es decir, ánodo y cátodo) a una fuente de voltaje o potenciostato, y completar el circuito eléctrico. Para un sistema de tres electrodos, colocar el electrodo de referencia de tal manera que apenas se sumerge en la gota de electrolito. </li><li> Antes de aplicar una tensión reductor, montar una cámara de vídeo sobre un trípode o en un microscopio para grabar los experimentos. Utilice el modo de enfoque automático para tener todo en foco. Utilice el enfoque manual para tener un mejor control sobreprofundidad de campo, el balance de blancos e ISO. Según sea necesario, utilice mayor parada F (es decir, 11 o superior), 1/100 de obturación, balance de blancos automático y concesionarios ISO. </li><li> Comienza la grabación del experimento. Aplicar aproximadamente -1 V a retirar el metal líquido de los microcanales. Gire la tensión fuera para hacer que el metal para dejar de moverse en el electrolito neutro. </li></ol>

<ol><li>Khan, M. R., Eaker, C. B., Bowden, E. F., Dickey, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Giant+and+switchable+surface+activity+of+liquid+metal+via+surface+oxidation%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">Giant and switchable surface activity of liquid metal via surface oxidation.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 111 (39), 14047-14051 (2014).</li>
<li>Kataoka, D. E., Troian, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterning+liquid+flow+on+the+microscopic+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Patterning liquid flow on the microscopic scale.</a> Nature. 402 (6763), 794-797 (1999).</li>
<li>Daniel, S., Chaudhury, M. K., Chen, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+Drop+Movements+Resulting+from+the+Phase+Change+on+a+Gradient+Surface%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Fast Drop Movements Resulting from the Phase Change on a Gradient Surface.</a> Science. 291 (5504), 633-636 (2001).</li>
<li>Ichimura, K., Oh, S. K., Nakagawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-driven+motion+of+liquids+on+a+photoresponsive+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Light-driven motion of liquids on a photoresponsive surface.</a> Science. 288 (5471), 1624-1626 (2000).</li>
<li>Gallardo, B. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+principles+for+active+control+of+liquids+on+submillimeter+scales%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Electrochemical principles for active control of liquids on submillimeter scales.</a> Science. 283 (5398), 57-60 (1999).</li>
<li>Zhao, B., Moore, J. S., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-Directed+Liquid+Flow+Inside+Microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Surface-Directed Liquid Flow Inside Microchannels.</a> Science. 291 (5506), 1023-1026 (2001).</li>
<li>Chaudhury, M. K., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+to+Make+Water+Run+Uphill%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">How to Make Water Run Uphill.</a> Science. 256 (5063), 1539-1541 (1992).</li>
<li>Lahann, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+reversibly+switching+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A reversibly switching surface.</a> Science. 299 (5605), 371-374 (2003).</li>
<li>Rogers, J. A., Someya, T., Huang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+and+Mechanics+for+Stretchable+Electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Materials and Mechanics for Stretchable Electronics.</a> Science. 327 (5973), 1603-1607 (2010).</li>
<li>Bauer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((25th+Anniversary+Article%3A+A+Soft+Future%3A+From+Robots+and+Sensor+Skin+to+Energy+Harvesters%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">25th Anniversary Article: A Soft Future: From Robots and Sensor Skin to Energy Harvesters.</a> Adv. Mater. 26 (1), 149-162 (2013).</li>
<li>Ozbay, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonics%3A+Merging+Photonics+and+Electronics+at+Nanoscale+Dimensions%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions.</a> Science. 311 (5758), 189-193 (2006).</li>
<li>Monat, C., Domachuk, P., Eggleton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrated+optofluidics%3A+A+new+river+of+light%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Integrated optofluidics: A new river of light.</a> Nat. Photonics. 1 (2), 106-114 (2007).</li>
<li>Schurig, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metamaterial+Electromagnetic+Cloak+at+Microwave+Frequencies%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies.</a> Science. 314 (5801), 977-980 (2006).</li>
<li>Dickey, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emerging+Applications+of+Liquid+Metals+Featuring+Surface+Oxides%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Emerging Applications of Liquid Metals Featuring Surface Oxides.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (21), 18369-18379 (2014).</li>
<li>Dickey, M. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eutectic+gallium-indium+%28EGaIn%29%3A+A+liquid+metal+alloy+for+the+formation+of+stable+structures+in+microchannels+at+room+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Eutectic gallium-indium (EGaIn): A liquid metal alloy for the formation of stable structures in microchannels at room temperature.</a> Adv. Funct. Mater. 18 (7), 1097-1104 (2008).</li>
<li>Regan, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-ray+study+of+the+oxidation+of+liquid-gallium+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">X-ray study of the oxidation of liquid-gallium surfaces.</a> Phys. Rev. B. 55 (16), 10786-10790 (1997).</li>
<li>Giguère, P. A., Lamontagne, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polarography+with+a+Dropping+Gallium+Electrode%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Polarography with a Dropping Gallium Electrode.</a> Science. 120 (3114), 390-391 (1954).</li>
<li>Frumkin, A., Polianovskaya, N., Grigoryev, N., Bagotskaya, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrocapillary+phenomena+on+gallium%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Electrocapillary phenomena on gallium.</a> Electrochim. Acta. 10 (8), 793-802 (1965).</li>
<li>Lippmann, G. France Université. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLippmann%2C+G+%22Relations+entre+les+ph%C3%A9nom%C3%A8nes+%C3%A9lectriques+et+capillaires%22">Relations entre les phénomènes électriques et capillaires</a>. , Gauthier-Villars. (1875).</li>
<li>Tsai, J. T. H., Ho, C. M., Wang, F. C., Liang, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh+contrast+light+valve+driven+by+electrocapillarity+of+liquid+gallium%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh contrast light valve driven by electrocapillarity of liquid gallium.</a> Appl. Phys. Lett. 95 (25), 251110(2009).</li>
<li>Khan, M. R., Trlica, C., Dickey, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recapillarity%3A+Electrochemically+Controlled+Capillary+Withdrawal+of+a+Liquid+Metal+Alloy+from+Microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Recapillarity: Electrochemically Controlled Capillary Withdrawal of a Liquid Metal Alloy from Microchannels.</a> Adv. Funct. Mater. 25 (5), 671-678 (2015).</li>
<li>Saltman, W., Nachtrieb, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Electrochemistry+of+Gallium%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">The Electrochemistry of Gallium.</a> J. Electrochem. Soc. 100, 126-130 (1953).</li>
<li>Perkins, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anodic-Oxidation+of+Gallium+in+Alkaline-Solution%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electroanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Anodic-Oxidation of Gallium in Alkaline-Solution.</a> J. Electroanal. Chem. 101, 47-57 (1979).</li>
<li>Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H. M., Brown, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+oxidation+on+the+mechanical+properties+of+liquid+gallium+and+eutectic+gallium-indium%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium.</a> Phys. Fluids. 24, 063101(2012).</li>
<li>Rotenberg, Y., Boruvka, L., Neumann, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+surface+tension+and+contact+angle+from+the+shapes+of+axisymmetric+fluid+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Colloid+Interface+Sci%22%5BJournal%5D)">Determination of surface tension and contact angle from the shapes of axisymmetric fluid interfaces.</a> J. Colloid Interface Sci. 93, 169-183 (1983).</li>
<li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+Lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">Soft Lithography.</a> Annu. Rev. Mater. Sci. 28 (1), 153-184 (1998).</li>
<li>Pourbaix, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPourbaix%2C+M+%22Atlas+of+Electrochemical+Equilibria+in+Aqueous+Solutions%22">Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions</a>. , Natl Assn of Corrosion. (1974).</li>
<li>Gough, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+electrocapillary+deformation+of+liquid+metal+with+reversible+shape+retention%5BTitle%5D)+AND+%22Micro+Nano+Syst.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rapid electrocapillary deformation of liquid metal with reversible shape retention.</a> Micro Nano Syst. Lett. 3 (1), 1-9 (2015).</li>
<li>Wang, M., Trlica, C., Khan, M. R., Dickey, M. D., Adams, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+reconfigurable+liquid+metal+antenna+driven+by+electrochemically+controlled+capillarity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">A reconfigurable liquid metal antenna driven by electrochemically controlled capillarity.</a> J. Appl. Phys. 117 (19), 194901(2015).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

<html> Este método controla la tensión superficial del líquido a base de metales de galio utilizando pequeñas tensiones para conducir la deposición y la eliminación de un óxido superficial. Aunque el método sólo funciona en soluciones de electrolitos, es simple, y trabaja en una amplia variedad de diferentes condiciones, pero hay matices dignos de mención. En ausencia de potencial eléctrico, ambas soluciones ácidas y básicas etch distancia El óxido de 27. La aplicación de un potencial oxidativo conduce a la fo...

Este método proporciona una forma sencilla de controlar la tensión superficial de los metales líquidos que contienen galio. El método utiliza voltajes modestos (~ 1 V) aplicados directamente al metal líquido (en relación con un contraelectrodo en presencia de electrolito) para lograr cambios enormes y reversibles en la tensión superficial del metal1. 
La tensión superficial es una fuerza dominante para líquidos a escalas de longitud pequeña y es importante para una serie de fenómenos capilares, incluyendo la humectación, la dispersión y el flujo impulsado por la tensión superficial. En consecuencia, la capacidad de controlar la tensión superficial es una forma sensata de manipular la forma, la posición y el flujo de líquidos a escalas de longitud inferiores a mm. La forma más común de alterar la tensión superficial entre dos fluidos es usar un surfactante, que es una molécula que se extiende por la interfaz entre los fluidos. Los tensioactivos reducen la tensión superficial, pero de una manera que no es fácil de revertir, ya que es difícil eliminar los tensioactivos de la interfaz. La tensión superficial también se puede alterar utilizando una variedad de técnicas, incluidos los gradientes de temperatura2,3, luz4, química de superficie 5-7 y voltaje8. Pero la mayoría de estos métodos dan lugar a cambios modestos en la tensión superficial, especialmente en el caso de los metales líquidos, que tienen tensiones superficiales notablemente grandes.
La capacidad de controlar la tensión superficial del metal líquido podría permitir nuevas oportunidades para crear estructuras reconfigurables en forma con propiedades metálicas para aplicaciones electrónicas, térmicas y ópticas 9-14. El metal líquido más común es el Hg, que se caracteriza por su toxicidad. Los métodos descritos aquí son relevantes para metales líquidos basados en galio. Estos metales tienen baja viscosidad, gran tensión superficial, baja volatilidad (baja presión de vapor) y baja toxicidad15. Es importante destacar que estos metales forman óxidos superficiales compuestos de óxido de galio que tienen unos pocos nm de espesor en el aire16. Esta capa de óxido crea una piel física que históricamente ha sido una molestia para las aplicaciones electroquímicas y fluidodinámicas17. El método aquí utiliza el óxido de nuevas formas para controlar la tensión superficial.
La forma más común de manipular metales líquidos en el electrolito es aplicar un potencial al metal en relación con un contraelectrodo18. Los iones cargados opuestamente del electrolito coinciden con las cargas del metal, lo que hace que la tensión interfacial disminuya. Este fenómeno, denominado electrocapilaridad, se conoce desde la década de 1870 según lo descrito por Lippman19y se ha utilizado para aleaciones de galio20. Por lo general, la electrocapilaridad logra cambios modestos en la tensión superficial, ya que las reacciones electroquímicas indeseables limitan el rango de voltajes aplicados al metal. Por el contrario, el método descrito aquí utiliza la oxidación superficial del metal (o, por el contrario, la reducción del óxido superficial) como una forma de lograr enormes cambios en la tensión superficial más allá de los cambios resultantes de la electrocapilaridad. La principal explicación de este fenómeno es que el óxido es asimétrico; Es decir, la superficie exterior del óxido termina con grupos hidroxilo (formando una interfaz de baja tensión interfacial con el electrolito acuoso), y la superficie interior del óxido termina con átomos de galio (formando una interfaz de baja tensión interfacial con el metal). Por el contrario, la eliminación del óxido a través de la reducción electroquímica da como resultado una interfaz metal-electrolito desnuda, que devuelve el metal a un estado de alta tensión superficial. Caracterizamos la tensión interfacial del metal analizando la forma de las gotas sésiles en función del voltaje, asumiendo que la gravedad y la tensión superficial son las fuerzas dominantes que definen la curvatura de su superficie. 
La ventaja de esta técnica en relación con la electrocapilaridad clásica es que puede ajustar reversiblemente la tensión de metales líquidos de baja toxicidad en rangos enormes (desde ~500 mN/m hasta casi cero). Este cambio delta en la tensión superficial puede ser el más grande jamás reportado en la literatura para cualquier fluido y se puede lograr de una manera sintonizable y reversible. Estos grandes cambios en la tensión superficial son útiles para manipular el comportamiento capilar de los metales; por ejemplo, puede inducir que el metal se extienda sobre una superficie, retirar el metal de los microcanales, llenar los microcanales con metal y superar las inestabilidades de Rayleigh para formar fibras de metal líquido1,21. 
Un inconveniente de esta técnica es que requiere electrolito. Funciona mejor en condiciones ácidas o básicas, porque estos electrolitos eliminan el exceso de óxido superficial que de otro modo contaminaría la superficie del metal y restringen mecánicamente el movimiento del metal. La remoción y deposición simultánea de la capa de óxido complica el análisis de los fenómenos interfaciales, y esperamos que los métodos descritos en este documento permitan un análisis adicional. Otra desventaja es que las reacciones electroquímicas en la superficie del metal deben ir acompañadas de medias reacciones complementarias en el contraelectrodo22,23. Esto puede provocar la formación de burbujas de hidrógeno en el contraelectrodo.

<table><tbody><tr><td>Galio eutéctico Indio</td><td>Corporación</td><td></td><td></td></tr><tr><td>de indio Hidróxido de sodio</td><td>Fisher Scientific</td><td>2318-3</td><td></td></tr><tr><td>Ácido clorhídrico</td><td>Fisher Scientific</td><td>A481-212</td><td></td></tr><tr><td>Fluoruro de sodio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>201154</td><td></td></tr><tr><td>adhesivo óptico</td><td>Norland</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>Polidimetilsiloxano ( Sylgard-184)</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>Kit de elastómero de silicona</td></tr><tr><td>Capilares de vidrio de borosilicato</td><td>Friedrich y Dimmoch</td><td>B41972</td><td></td></tr><tr><td>Ag/AgCl Microelectrodos de</td><td>electrodos de referencia Inc.</td><td>MI-401F</td><td></td></tr><tr><td>Fuente de voltaje</td><td>Keithley</td><td>3390</td><td></td></tr><tr><td>Potenciostato</td><td>Gamry</td><td>Ref 600</td><td></td></tr><tr><td>Cortadora</td> láser <td>universal Sistemas láser VLS</td><td>3.50</td><td></td></tr></tbody></table>

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

A Method to Manipulate Surface Tension of a Liquid Metal via Surface Oxidation and Reduction

El control de la tensión interfacial es un método eficaz para la manipulación de la forma, posición, y el flujo de líquidos a escalas de longitud submilimétricas, donde la tensión interfacial es una fuerza dominante. Una variedad de métodos para controlar la tensión interfacial de líquidos acuosos y orgánicos en esta escala; Sin embargo, estas técnicas han limitado la utilidad para metales líquidos debido a su gran tensión interfacial. Metales líquidos pueden formar componentes blandos, elásticos y con forma reconfigurable en dispositivos electrónicos y electromagnéticos. A pesar de que es posible manipular estos fluidos a través de métodos mecánicos (por ejemplo, bombeo), métodos eléctricos son más fáciles de miniaturizar, control, e implementar. Sin embargo, la mayoría de las técnicas eléctricos tienen sus propias limitaciones: electrohumectación-on-dieléctrico requiere grandes (kV) potenciales para el accionamiento modesta, electrocapillarity puede afectar a cambios relativamente pequeños en la tensión interfacial, y ele continuoctrowetting se limita a los enchufes del metal líquido en los capilares. A continuación, presentamos un método para el accionamiento de galio y aleaciones de metal líquido a base de galio mediante una reacción electroquímica superficie. Controlar el potencial electroquímico en la superficie del metal líquido en un electrólito rápidamente y de forma reversible cambia la tensión interfacial por más de dos órdenes de magnitud (̴500 mN / m a cerca de cero). Además, este método requiere sólo un potencial muy modesta (&lt;1 V) aplicada respecto a un electrodo contador. El cambio resultante en la tensión se debe principalmente a la deposición electroquímica de una capa de óxido de la superficie, que actúa como un agente tensioactivo; la eliminación del óxido aumenta la tensión interfacial, y viceversa. Esta técnica se puede aplicar en una amplia variedad de electrolitos y es independiente del sustrato sobre la que descansa.

Figura 1 A muestra un ejemplo de la técnica simple de dos electrodos para la oxidación y reducción. En este caso, una caída de 70 l del metal líquido colocado en una relación 1 M de NaOH solución entra en contacto un alambre de cobre para establecer una conexión eléctrica. El 1 M NaOH elimina el óxido de la superficie del metal y permite que el metal a talón hasta debido a su tensión interfacial. La aplicación de un potencial de 2,5...

Presentamos un método para controlar la energía interfacial de un metal líquido en un electrolito a través de la deposición (o eliminación) electroquímica de una capa superficial de óxido. Este método simple puede controlar el comportamiento capilar de los metales líquidos a base de galio ajustando la energía interfacial de manera rápida, significativa y reversible utilizando voltajes modestos.

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

Controlling interfacial tension is an effective method for manipulating the shape, position, and flow of fluids at sub-millimeter length scales, where ...

El objetivo general de este procedimiento es demostrar la manipulación del metal líquido bajo la influencia de potenciales electroquímicos. Este método ajusta la tensión interfacial del metal líquido en un rango muy amplio, al tiempo que aclara el papel de los óxidos en la tensión interfacial. El principal atractivo de esta técnica es que es sencilla, reversible y solo requiere potenciales muy modestos.Este dispositivo se ha utilizado para fabricar dispositivos electrónicos reconfigurables y compuestos casi en su totalidad de Para realizar la oxidación, vierta un electrolito acuoso en una placa de Petri. Utilice un volumen que llene la placa hasta 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.Aquí se utiliza galio indio eutéctico. Coloque un alambre de cobre con un diámetro menor que el de la gota dentro del metal líquido para establecer el electrodo de trabajo. En medio ácido o básico, el metal líquido mojará el cobre y formará así un contacto eléctrico excelente.Coloque un electrodo contraelectrodo conductor en la solución, pero sin contacto con el metal líquido. Si el contraelectrodo tiene una resistencia menor a 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 una pequeña deformación de forma, aplique voltajes positivos menores a un voltio. Para una deformación de forma mayor, aplique más de un voltio. Para realizar la reducción, dispense una gota del metal líquido desde 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 alambre de cobre en el metal líquido para que actúe como electrodo de trabajo, y coloque un alambre conductor en el electrolito para que actúe como electrodo contra. Conecte los alambres a una fuente de voltaje y aplique un potencial negativo al metal líquido.Aplique aproximadamente menos un voltio para eliminar el óxido superficial y provocar que el metal se retire del sustrato. El metal debe retirarse primero del lado más cercano al electrodo de referencia. Aplique potenciales más negativos para eliminar completamente la capa de óxido.Evite aplicar voltajes negativos excesivamente grandes para prevenir la aparición de burbujas de hidrógeno en el metal líquido debido a la reducción del electrolito. Utilizando un cortador láser o una herramienta de fresado, corte un camino directo desde el centro hasta el borde de un trozo de polimetilmetacrilato, o PMMA. No corte el camino a través de todo el espesor del PMMA.Esta pieza servirá como sustrato para el metal líquido. Con la misma herramienta, corte un orificio de un milímetro cuadrado en el centro del PMMA. Utilizando la trayectoria como guía, pase un alambre de cobre aislado con solo la punta expuesta hasta el centro del PMMA.Coloque el alambre de modo que sobresalga sobre la superficie de PMMA. Selle el alambre en su lugar con un adhesivo hermético. Corte el alambre justo por encima de la superficie del PMMA, pero no permita que sobresalga demasiado, ya que podría alterar la forma de la gota.Sujete con cinta 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 manera que el perfil superficial de la gota sea claramente visible. Llene el recipiente con hidróxido de sodio uno molar.Luego, coloque una gota de 25 a 50 microlitros de metal líquido sobre el alambre de cobre sobresaliente. Este alambre servirá como electrodo de trabajo y humedecerá la gota. Conecte todos los electrodos a un potenciostato.A continuación, coloque un electrodo auxiliar 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 use 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 gotas sobre superficies sólidas (sessile drop interfacial tension).Llene una capilar de vidrio con una solución de hidróxido de sodio de un molar. El diámetro de la capilar debe ser aproximadamente de un milímetro. Coloque un extremo de la capilar justo contra una gota de metal líquido.Alinee el capilar de modo que quede paralelo a la superficie de la mesa. Evite espacios de aire entre la gota de metal líquido y el capilar lleno de electrolito. Con una toallita, retire cualquier exceso de electrolito que pueda haberse filtrado durante el ensamblaje.Coloque un alambre de cobre en el metal líquido y un electrodo contraelectrodo conductor en el extremo abierto del capilar, de modo que haga contacto con la solución. Conecte los alambres 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 litografía suave y moldeo por réplica para fabricar canales microfluídicos compuestos de polidimetilsiloxano, o PDMS. Fabrique canales con un ancho aproximado de 100 a 1.000 micrones, una altura de 100 micrones y una longitud de 25 a 65 milímetros. Inyecte metal líquido manualmente o mediante una bomba de jeringa para llenar completamente el canal.Utilizando un hisopo de algodón que se ha sumergido en hidróxido de sodio uno molar o en ácido clorhídrico uno molar, elimine las cantidades excesivas de metal líquido de la entrada del canal para que el metal quede al ras con la superficie superior del PDMS. Sumerja un extremo del canal en electrolito y coloque el ánodo de manera que toque el electrolito pero no el metal. En el otro extremo del canal, conecte un electrodo separado a la superficie del metal 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 sobre 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. Si es necesario, use una abertura f más alta, una velocidad de obturación de un centésimo de segundo, balance de blancos automático y ISO automático.Comience a grabar el experimento. Aplique aproximadamente menos un voltio para retirar el metal líquido de los microcanales. Apague el voltaje para detener el movimiento del metal en el electrolito neutro.Se muestra aquí un video de un goniómetro del metal líquido extendiéndose bajo la influencia del potencial electroquímico. Una disminución en la altura indica un potencial más oxidativo. La tensión interfacial puede determinarse a partir de la curvatura de la gota.La región a la izquierda de la línea punteada, donde no hay capa de óxido, muestra un comportamiento electrocapilar típico. Sin embargo, cuando está presente la capa de óxido, la tensión interfacial presenta una disminución abrupta, que disminuye aún más al aplicar voltajes más altos. Al aplicar un potencial reductor al metal, se elimina el óxido y este se retira de los microcanales.Este gráfico muestra el perfil de velocidad del retiro 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 disminución de la velocidad con el tiempo. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en cuestión de minutos y debería permitir a científicos e ingenieros estudiar más a fondo este fenómeno único.

a-method-to-manipulate-surface-tension-liquid-metal-via-surface

Research

Investigación

JoVE Journal

Chemistry

Química

La velocimetría de ultrasonidos se utiliza para estudiar la mezcla por flujo de fluido en electrodos de metal líquido. El objetivo de este manuscrito es ilustrar los métodos utilizados para realizar mediciones ultrasónicas precisas y resueltas espacialmente, limitando la oxidación y controlando y monitoreando la temperatura, la corriente aplicada y la potencia del calentador que se suministra.

Ultrasonido de medición de velocidad en un metal líquido Electrodo

Aquí se presenta un protocolo para la síntesis de Zn 1-x mg x S / Cu 2 O heterouniones en al aire libre a temperatura baja a través de la presión atmosférica espacial atómica deposición de capas (AP-SALD) de Zn 1-x mg x S en óxido de cobre. Tales óxidos de metales de conformación de alta calidad pueden ser cultivadas en una variedad de sustratos, incluyendo plásticos de este método barato y escalable.

Mejora de la Calidad Heterounión en Cu<sub&gt; 2</sub&gt; Células solares O-base través de la optimización de la presión atmosférica espacial Atómica capa depositada<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; Mg<sub&gt; x</sub&gt; O

Superficies resbaladizas proporcionan una nueva forma de resolver el problema de adherencia. Este protocolo describe cómo fabricar superficies resbaladizas a altas temperaturas. Los resultados demuestran que las superficies resbaladizas demostraron la adherencia de soldadura para líquidos y un notable efecto anti-adherencia en los tejidos blandos a altas temperaturas.

Comportamiento de anti-adherencia preparación y alta temperatura de una superficie resbaladiza en acero inoxidable

Estructuras cilíndricas de óxido de zinc en forma de varillas se sintetizan mediante deposición de vapor químico asistida por aerosol sin el uso de partículas de catalizador-semilla previamente depositadas. Este método es escalable y compatible con varios sustratos basados en silicio, cuarzo o polímeros.

Aerosol-asistida por deposición de Vapor químico del óxido de Metal estructuras: barras de óxido de Zinc

Se presenta un protocolo para la fabricación de óxidos de aluminio anódico nanoporoso vía simultánea anodizado de superficie múltiples seguido por destacamentos de escalera-como prejuicios atrás. Puede aplicarse varias veces al mismo substrato de aluminio, exhibiendo un fácil, alto rendimiento y estrategia ambientalmente limpio.

Anodizations multi-emerger simultánea y sesgos inversa escalera-como destacamento de anódico de aluminio óxidos sulfúricos y electrolito de ácido oxálico

Fabricamos metal/LaAlO3/SrTiO3 heteroestructuras mediante una combinación de láser pulsado y en situ de magnetrón sputtering. A través de magnetotransport y en situ radiografía fotoelectrón espectroscopia experimentos, investigamos la relación entre los fenómenos electrostáticos y química del gas de electrones bidimensional casi formado en este sistema.

Crecimiento y propiedades electrostáticas químico de Metal/LaAlO3/SrTiO3 heteroestructuras

Ilustramos varias metodologías para producir superficies metálicas superhidrófobos y explorar sus propiedades de durabilidad y anti-hielo.

Fabricación de superficies metálicas superhidrófobos para aplicaciones anti-hielo

Presentado es un método sencillo para fabricar nano-micro estructuras multiescala, para superficies funcionales, agregando nanofibras fabricado utilizando un filtro de óxido de aluminio anódico.

Multiescala estructuras agregadas por nanofibras impreso para superficies funcionales

Los materiales de óxido muestran muchas propiedades exóticas que pueden controlarse ajustando el contenido de oxígeno. Aquí, demostramos el ajuste del contenido de oxígeno en óxidos variando los parámetros de deposición de láser pulsado y realizando postrecocido. Como ejemplo, las propiedades electrónicas de las heteroestructuras basadas en SrTiO3 se ajustan mediante modificaciones de crecimiento y recocido.

Ajuste de las propiedades del óxido mediante el control de vacantes de oxígeno durante el crecimiento y el recocido

Se presenta un método de síntesis para obtener macrotubos y macrobos a base de platino porosos con una sección transversal cuadrada a través de la reducción química de plantillas insolubles de agujas salinas.

Un método de síntesis con plantillas de sal para macrobeames y macrotubos basados en platino poroso

Aprende a manipular la tensión interfacial de metales líquidos mediante oxidación y reducción electroquímica de óxidos superficiales. Este método reversible utiliza voltajes modestos para controlar el comportamiento capilar en dispositivos electrónicos reconfigurables.

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

Explorar más videos