表面酸化と還元を経て液体金属の表面張力を操作する方法

この手順の全体的な目標は、電気化学ポテンシャルの影響下での液体金属の操作を実証することです。この手法は、液体金属の界面張力を非常に広範囲に調整すると同時に、界面張力に対する酸化物の役割を解明します。この手法の主な魅力は、シンプルで可逆的であり、非常に控えめな電位しか必要としないことです。

このことは、再構成可能で、ほぼ完全に構成された電子機器を作成するために利用されています 酸化を実行するには、水電解質をペトリ皿に注ぎます。皿を約1〜3ミリメートルの深さまで満たすボリュームを使用してください。シリンジを使用して、電解質にガリウムベースの合金を一滴入れます。

ここでは、共晶ガリウムインジウムが使用されます。液滴の直径よりも小さい直径の銅線を液体金属に挿入して、作用電極を確立します。酸または塩基中では、液体金属が銅を濡らし、それによって優れた電気的接点を形成します。

溶液中に導電性対極を置きますが、液体金属と接触させないでください。対電極の抵抗が1オーム未満の場合、その寸法は関係ありません。次に、ワイヤを電圧源に接続し、液体金属に正の電位を印加します。

形状の変形が小さい場合は、1ボルト未満の正の電圧を印加します。より大きな形状の変形の場合は、1 ボルトより大きい電圧を印加します。還元を行うには、シリンジから液体金属を一滴空のシャーレに分注します。

次に、中性電解質をペトリ皿に金属を沈めるレベルまで不十分にします。液体金属に銅線を入れて作用電極として作用させ、電解質に導線を入れて対極として作用させます。ワイヤを電圧源に接続し、液体金属に負の電位を印加します。

約マイナス1ボルトを印加して表面の酸化物を取り除き、金属を基板から脱湿させます。金属は、対極に最も近い側で最初に脱湿する必要があります。酸化物層を完全に除去するために、より多くの負電位を印加します。

電解液の減少により液体金属に水素の泡が発生するのを防ぐため、過度に大きな負電圧を印加することは避けてください。レーザーカッターまたはフライス工具を使用して、ポリメチルメタクリレート(PMMA)の中心から端まで直接の経路を切り取ります。PMMA の厚さに沿ってパスを切断しないでください。

このピースは、液体金属の基板として機能します。同じ工具で、PMMAの中心に1平方ミリメートルの穴を開けます。パスをガイドとして使用して、先端のみを露出させた絶縁銅線をPMMAの中心まで配線します。

PMMA 表面に突き出るようにワイヤを配置します。漏れ防止接着剤でワイヤーを所定の位置に密封します。PMMAの表面のすぐ上でワイヤーを切断しますが、伸びすぎると液滴の形状が乱

PMMAピースを透明な容器にテープで留め、クリアな画像を得ることができます。液滴の表面プロファイルがはっきりと見えるように、容器を接触角ゴニオメーターに置きます。容器に1モルの水酸化ナトリウムを入れます。

次に、突き出た銅線に25〜50マイクロリットルの液体金属を滴下します。このワイヤーは作用電極として機能し、液滴を濡らします。すべての電極をポテンショスタットに接続します。

次に、白金メッシュの対電極と、飽和した塩化銀銀の参照電極を溶液に入れます。ポテンショスタットを使用して参照電極に対する電圧を制御し、ゴニオメーターを使用して液滴の形状とそれによる界面張力を測定します。ゴニオメーターが固着液滴界面張力を測定できることを確認してください。

ガラスキャピラリーに1モルの水酸化ナトリウムの溶液を充填します。毛細管の直径は約1ミリメートルである必要があります。キャピラリーの一方の端を液体金属の滴と同じ高さに置きます。

キャピラリーがテーブルの表面と平行になるようにキャピラリーを位置合わせします。液体金属の落下と電解質で満たされた毛細管との間にエアギャップが入らないようにしてください。ワイプを使用して、組み立て中に漏れた可能性のある余分な電解液を軽くたたきます。

液体金属に銅線を、キャピラリーの開放端に導電性対極を配置して、溶液に接触させます。ワイヤを電圧源に接続し、液体金属に正の電位を印加します。液体金属がキャピラリーに充填し始めるはずです。

ソフトリソグラフィーとレプリカ成形技術を利用して、ポリジメチルシロキサン(PDMS)で構成されるマイクロ流体チャネルを作製します。幅約100〜1,000ミクロン、高さ100ミクロン、長さ25〜65ミリメートルのチャネルを製造します。液体金属を手動で注入するか、シリンジポンプを使用して、チャネルを完全に充填します。

1モルの水酸化ナトリウムまたは1モルの塩化水素に浸した綿棒を使用して、チャネルの入口から余分な量の液体金属を取り除き、金属がPDMSの上面と同じ高さになるようにします。チャネルの一方の端を電解液に浸し、アノードを電解質に触れて金属に触れないように配置します。チャネルのもう一方の端で、液体金属自体がカソードとして機能するように、別の電極を金属表面に接触させます。

これらのワイヤを電圧源に接続し、電気回路を完成させます。3電極システムの場合は、電解液の滴にかろうじて沈むように参照電極を配置します。還元電圧を印加する前に、ビデオカメラを三脚または顕微鏡に取り付けて実験を記録してください。

オートフォーカスモードを使用して、すべてにピントを合わせます。マニュアルフォーカスを利用して、被写界深度、ホワイトバランス、ISOをより適切に制御できます。必要に応じて、F値を上げたり、シャッタースピードを100分の1秒にしたり、オートホワイトバランスやISOをオートにしたりします。

実験の記録を開始します。約マイナス1ボルトを印加して、液体金属をマイクロチャネルから引き出します。電圧をオフにすると、中性電解質中の金属の動きが停止します。

ここに示されているのは、電気化学ポテンシャルの影響下で広がる液体金属のゴニオメータービデオです。身長が下がると、酸化力が高くなります。界面張力は、液滴の曲率から決定できます。

点線の左側で酸化物層が存在しない領域は、典型的な電気毛細管現象を示しています。しかし、酸化膜が存在すると、界面張力は急激に低下し、より大きな電圧が印加されるとさらに減少します。金属に還元電位を印加すると、酸化物が除去され、マイクロチャネルから引き抜かれます。

このグラフは、一定の電圧での毛細管引き抜きの速度プロファイルを示しています。液体金属が電解質に置き換わると、マイクロチャネル内の電気抵抗が増加し、時間の経過とともに速度が低下します。この手法を習得すると、数分で完了し、科学者やエンジニアはこのユニークな現象をさらに研究できるようになるはずです。