Une méthode pour manipuler tension de surface du liquide par l'intermédiaire d'un métal oxydation de surface et la réduction

L’objectif général de cette procédure est de démontrer la manipulation du métal liquide sous l’influence de potentiels électrochimiques. Cette méthode ajuste la tension interfaciale du métal liquide sur une gamme énorme tout en élucidant le rôle des oxydes sur la tension interfaciale. Le principal attrait de cette technique est qu’elle est simple, qu’elle est réversible et qu’elle ne nécessite que des potentiels très modestes.

Cette chose a été utilisée pour fabriquer des appareils électroniques reconfigurables et composés presque entièrement de Pour effectuer l’oxydation, versez un électrolyte aqueux dans une boîte de Pétri. Utilisez un volume qui remplira le plat à une profondeur d’environ un à trois millimètres. À l’aide d’une seringue, placez une goutte d’un alliage à base de gallium dans l’électrolyte.

Ici, l’eutectique gallium indium est utilisé. Placez un fil de cuivre d’un diamètre inférieur à celui de la goutte dans le métal liquide pour établir l’électrode de travail. Dans l’acide ou la base, le métal liquide va mouiller le cuivre et ainsi former un excellent contact électrique.

Placez une contre-électrode conductrice dans la solution, mais pas en contact avec le métal liquide. Si la contre-électrode a une résistance inférieure à un ohm, ses dimensions n’ont pas d’importance. Ensuite, connectez les fils à une source de tension et appliquez un potentiel positif au métal liquide.

Pour les petites déformations de forme, appliquez des tensions positives inférieures à un volt. Pour une déformation de forme plus importante, appliquez plus d’un volt. Pour effectuer la réduction, versez une goutte de métal liquide d’une seringue dans une boîte de Pétri vide.

Ensuite, versez un électrolyte aqueux neutre dans la boîte de Pétri à un niveau qui submerge le métal. Placez un fil de cuivre dans le métal liquide pour agir comme une électrode de travail, et placez un fil conducteur dans l’électrolyte pour agir comme contre-électrode. Connectez les fils à une source de tension et appliquez un potentiel négatif au métal liquide.

Appliquez environ moins un volt pour éliminer l’oxyde de surface et provoquer le déshumidification du métal du substrat. Le métal doit d’abord se déshumidifier du côté le plus proche de la contre-électrode. Appliquez plus de potentiels négatifs pour éliminer complètement la couche d’oxyde.

Évitez d’appliquer des tensions négatives excessivement importantes pour éviter l’apparition de bulles d’hydrogène sur le métal liquide en raison de la réduction de l’électrolyte. À l’aide d’une découpeuse laser ou d’un outil de fraisage, découpez un chemin direct du centre vers le bord d’un morceau de polyméthacrylate de méthyle, ou PMMA. Ne coupez pas le chemin dans toute l’épaisseur du PMMA.

Cette pièce servira de substrat pour le métal liquide. Avec le même outil, découpez un trou d’un millimètre carré au centre du PMMA. En utilisant le chemin comme guide, faites passer un fil de cuivre isolé avec seulement la pointe exposée, jusqu’au centre du PMMA.

Positionnez le fil de manière à ce qu’il dépasse de la surface du PMMA. Scellez le fil en place avec un adhésif étanche. Coupez le fil juste au-dessus de la surface du PMMA, mais ne le laissez pas s’étendre trop loin ou cela perturbera la forme de la goutte.

Collez la pièce de PMMA dans un récipient transparent à travers lequel une image claire peut être obtenue. Placez le récipient dans un goniomètre d’angle de contact de manière à ce que le profil de surface de la goutte soit clairement visible. Remplissez le récipient avec une molaire d’hydroxyde de sodium.

Ensuite, placez une goutte de 25 à 50 microlitres de métal liquide sur le fil de cuivre saillant. Ce fil servira d’électrode de travail et mouillera la gouttelette. Connectez toutes les électrodes à un potentiostat.

Ensuite, placez une contre-électrode à maille de platine et une électrode de référence saturée de chlorure d’argent et d’argent dans la solution. Utilisez le potentiostat pour contrôler la tension par rapport à l’électrode de référence, et utilisez le goniomètre pour mesurer la forme et donc la tension interfaciale de la goutte. Assurez-vous que le goniomètre est capable de mesurer la tension interfaciale des gouttes sessiles.

Remplissez un capillaire en verre avec une solution d’hydroxyde de sodium d’une molaire. Le diamètre capillaire doit être d’environ un millimètre. Placez une extrémité du capillaire au ras d’une goutte de métal liquide.

Alignez le capillaire de manière à ce qu’il soit parallèle à la surface de la table. Évitez les espaces d’air entre la goutte de métal liquide et le capillaire rempli d’électrolyte. À l’aide d’une lingette, tamponnez tout excès d’électrolyte qui aurait pu fuir lors de l’assemblage.

Placez un fil de cuivre dans le métal liquide et une contre-électrode conductrice dans l’extrémité ouverte du capillaire afin qu’il entre en contact avec la solution. Connectez les fils à une source de tension et appliquez un potentiel positif au métal liquide. Le métal liquide doit commencer à remplir le capillaire.

Utilisez des techniques de lithographie douce et de moulage de répliques pour fabriquer des canaux microfluidiques composés de polydiméthylsiloxane, ou PDMS. Fabriquez des canaux d’environ 100 à 1 000 microns de large, 100 microns de haut et 25 à 65 millimètres de long. Injectez le métal liquide manuellement ou à l’aide d’un pousse-seringue pour remplir complètement le canal.

À l’aide d’un coton-tige trempé dans une molaire d’hydroxyde de sodium ou de chlorure d’hydrogène molaire, retirez les quantités excessives de métal liquide de l’entrée du canal afin que le métal reste au ras de la surface supérieure du PDMS. Immergez une extrémité du canal dans l’électrolyte et placez l’anode de manière à ce qu’elle touche l’électrolyte mais pas le métal. À l’autre extrémité du canal, mettez en contact une électrode séparée avec la surface métallique afin que le métal liquide lui-même agisse comme une cathode.

Connectez ces fils à une source de tension et complétez le circuit électrique. Pour un système à trois électrodes, placez l’électrode de référence de manière à ce qu’elle s’immerge à peine dans la goutte d’électrolyte. Avant d’appliquer une tension réductrice, montez une caméra vidéo sur un trépied ou dans un microscope pour enregistrer les expériences.

Utilisez le mode de mise au point automatique pour que tout soit net. Utilisez la mise au point manuelle pour mieux contrôler la profondeur de champ, la balance des blancs et l’ISO. Si nécessaire, utilisez une diaphragme plus élevée, une vitesse d’obturation d’un centième de seconde, une balance des blancs automatique et une sensibilité ISO automatique.

Commencez à enregistrer l’expérience. Appliquez environ moins un volt pour retirer le métal liquide des microcanaux. Coupez la tension pour que le métal cesse de bouger dans l’électrolyte neutre.

Voici une vidéo goniométrique de la propagation du métal liquide sous l’influence du potentiel électrochimique. Une diminution de la hauteur signifie un potentiel oxydatif plus important. La tension interfaciale peut être déterminée à partir de la courbure de la gouttelette.

La région à gauche de la ligne pointillée où la couche d’oxyde est absente présente un comportement électrocapillaire typique. Cependant, lorsque la couche d’oxyde est présente, la tension interfaciale montre un déclin précipité, diminuant davantage à mesure que des tensions plus importantes sont appliquées. L’application d’un potentiel réducteur au métal élimine l’oxyde et le fait se retirer des microcanaux.

Ce graphique montre le profil de vitesse du retrait capillaire à tension constante. Au fur et à mesure que le métal liquide est remplacé par de l’électrolyte, la résistance électrique dans le microcanal augmente, ce qui entraîne une baisse de la vitesse au fil du temps. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques minutes et devrait permettre aux scientifiques et aux ingénieurs d’étudier davantage ce phénomène unique.