Un metodo per manipolare Tensione superficiale di un metallo liquido tramite ossidazione superficiale e riduzione

L'obiettivo generale di questa procedura è dimostrare la manipolazione del metallo liquido sotto l'influenza di potenziali elettrochimici. Questo metodo regola la tensione interfacciale del metallo liquido su un intervallo enorme, chiarendo il ruolo degli ossidi sulla tensione interfacciale. L'attrattiva principale di questa tecnica è che è semplice, è reversibile e richiede solo potenzialità molto modeste.

Questa cosa è stata utilizzata per realizzare dispositivi elettronici riconfigurabili e composti quasi interamente da Per eseguire l'ossidazione, versare un elettrolita acquoso in una capsula di Petri. Usa un volume che riempirà il piatto a una profondità di circa uno o tre millimetri. Utilizzare una siringa per inserire una goccia di una lega a base di gallio nell'elettrolita.

Qui viene utilizzato l'etttico gallio indio. Posizionare un filo di rame con un diametro inferiore a quello della goccia nel metallo liquido per stabilire l'elettrodo di lavoro. In acido o base, il metallo liquido bagnerà il rame e quindi formerà un eccellente contatto elettrico.

Posizionare un controelettrodo conduttore nella soluzione, ma non a contatto con il metallo liquido. Se il controelettrodo ha una resistenza inferiore a un ohm, le sue dimensioni sono irrilevanti. Quindi, collegare i fili a una fonte di tensione e applicare un potenziale positivo al metallo liquido.

Per piccole deformazioni di forma, applicare tensioni positive inferiori a un volt. Per una deformazione di forma maggiore, applicare una tensione maggiore di un volt. Per eseguire la riduzione, erogare una goccia di metallo liquido da una siringa in una capsula di Petri vuota.

Quindi, versare un elettrolita acquoso neutro nella capsula di Petri a un livello tale da sommergere il metallo. Posizionare un filo di rame nel metallo liquido per fungere da elettrodo di lavoro e posizionare un filo conduttore nell'elettrolita per fungere da controelettrodo. Collegare i fili a una fonte di tensione e applicare un potenziale negativo al metallo liquido.

Applicare circa meno un volt per rimuovere l'ossido superficiale e far sì che il metallo si disumidi dal substrato. Il metallo deve essere de-bagnato prima sul lato più vicino al controelettrodo. Applicare più potenziali negativi per rimuovere completamente lo strato di ossido.

Evitare di applicare tensioni negative eccessivamente grandi per evitare la comparsa di bolle di idrogeno sul metallo liquido a causa della riduzione dell'elettrolita. Utilizzando una taglierina laser o uno strumento di fresatura, è possibile tagliare un percorso diretto dal centro al bordo di un pezzo di polimetilmetacrilato o PMMA. Non tagliare il percorso fino in fondo attraverso lo spessore del PMMA.

Questo pezzo servirà come substrato per il metallo liquido. Con lo stesso strumento, praticare un foro di un millimetro quadrato al centro del PMMA. Usando il percorso come guida, fai passare un filo di rame isolato con solo la punta esposta, al centro del PMMA.

Posizionare il filo in modo che sporga dalla superficie del PMMA. Sigillare il filo in posizione con un adesivo a prova di perdite. Taglia il filo appena sopra la superficie del PMMA, ma non lasciarlo estendere troppo o disturberà la forma della goccia.

Fissare il pezzo di PMMA con del nastro adesivo in un contenitore trasparente attraverso il quale è possibile ottenere un'immagine nitida. Posizionare il contenitore in un goniometro ad angolo di contatto in modo che il profilo superficiale della goccia sia chiaramente visibile. Riempire il contenitore con un molare di idrossido di sodio.

Quindi, posizionare una goccia da 25 a 50 microlitri di metallo liquido sul filo di rame sporgente. Questo filo fungerà da elettrodo di lavoro e bagnerà la gocciolina. Collegare tutti gli elettrodi a un potenziostato.

Quindi, posizionare un controelettrodo a maglia di platino e un elettrodo di riferimento saturo di cloruro d'argento e argento nella soluzione. Utilizzare il potenziostato per controllare la tensione rispetto all'elettrodo di riferimento e utilizzare il goniometro per misurare la forma e quindi la tensione interfacciale della goccia. Assicurarsi che il goniometro sia in grado di misurare la tensione interfacciale della goccia sessile.

Riempire un capillare di vetro con una soluzione di idrossido di sodio molare. Il diametro del capillare dovrebbe essere di circa un millimetro. Posizionare un'estremità del capillare a filo contro una goccia di metallo liquido.

Allineare il capillare in modo che sia parallelo alla superficie del tavolo. Evitare vuoti d'aria tra la goccia di metallo liquido e il capillare riempito di elettrolita. Con un panno, tamponare l'elettrolita in eccesso che potrebbe essere fuoriuscito durante il montaggio.

Posizionare un filo di rame nel metallo liquido e un controelettrodo conduttivo nell'estremità aperta del capillare in modo che entri in contatto con la soluzione. Collegare i fili a una fonte di tensione e applicare un potenziale positivo al metallo liquido. Il metallo liquido dovrebbe iniziare a riempire il capillare.

Utilizza tecniche di stampaggio litografico morbido e di replica per fabbricare canali microfluidici composti da polidimetilsilossano o PDMS. Fabbricare canali larghi da 100 a 1.000 micron circa, alti 100 micron e lunghi da 25 a 65 millimetri. Iniettare il metallo liquido manualmente o utilizzando una pompa a siringa per riempire completamente il canale.

Utilizzando un batuffolo di cotone imbevuto di un idrossido di sodio molare o di un molare di acido cloridrico, rimuovere le quantità in eccesso di metallo liquido dall'ingresso del canale in modo che il metallo rimanga a filo con la superficie superiore del PDMS. Immergere un'estremità del canale nell'elettrolita e posizionare l'anodo in modo tale che tocchi l'elettrolita ma non il metallo. All'altra estremità del canale, toccare un elettrodo separato con la superficie metallica in modo che il metallo liquido stesso funga da catodo.

Collegare questi fili a una fonte di tensione e completare il circuito elettrico. Per un sistema a tre elettrodi, posizionare l'elettrodo di riferimento in modo che si immerga appena nella goccia di elettrolita. Prima di applicare una tensione di riduzione, montare una videocamera su un treppiede o in un microscopio per registrare gli esperimenti.

Usa la modalità di messa a fuoco automatica per mettere tutto a fuoco. Utilizza la messa a fuoco manuale per avere un migliore controllo sulla profondità di campo, sul bilanciamento del bianco e sull'ISO. Se necessario, utilizzare un f stop più alto, una velocità dell'otturatore di un centesimo di secondo, il bilanciamento del bianco automatico e l'ISO automatico.

Avviare la registrazione dell'esperimento. Applicare circa meno un volt per estrarre il metallo liquido dai microcanali. Spegnere la tensione per far sì che il metallo smetta di muoversi nell'elettrolita neutro.

Qui è mostrato un video goniometrico del metallo liquido che si diffonde sotto l'influenza del potenziale elettrochimico. Una diminuzione dell'altezza significa un maggiore potenziale ossidativo. La tensione interfacciale può essere determinata dalla curvatura della gocciolina.

La regione a sinistra della linea tratteggiata in cui lo strato di ossido è assente mostra un tipico comportamento elettrocapillare. Tuttavia, quando lo strato di ossido è presente, la tensione interfacciale mostra un precipitoso declino, diminuendo ulteriormente man mano che vengono applicate tensioni maggiori. L'applicazione di un potenziale riducente al metallo rimuove l'ossido e lo provoca il ritiro dai microcanali.

Questo grafico mostra il profilo di velocità del ritiro capillare a tensione costante. Quando il metallo liquido viene sostituito con l'elettrolita, la resistenza elettrica nel microcanale aumenta causando un calo della velocità nel tempo. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in pochi minuti e dovrebbe consentire a scienziati e ingegneri di studiare ulteriormente questo fenomeno unico.