Een methode om oppervlaktespanning van een Liquid Metal Manipuleer via oxidatie en reductie

Het algemene doel van deze procedure is om de manipulatie van vloeibaar metaal onder invloed van elektrochemische potentialen te demonstreren. Deze methode stemt de oppervlaktespanning van vloeibaar metaal over een enorm bereik af terwijl het de rol van oxiden op de oppervlaktespanning verduidelijkt. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het eenvoudig is, omkeerbaar is en het vereist slechts zeer bescheiden potentialen.

Deze methode is gebruikt om elektronische apparaten te maken die herconfigureerbaar zijn en bijna volledig bestaan uit. Om oxidatie uit te voeren, giet een waterige elektrolyt in een petrischaal. Gebruik een volume dat de schaal vult tot een diepte van ongeveer een tot drie millimeter. Gebruik een spuit om een druppel van een gallium-gebaseerde legering in de elektrolyt te plaatsen.

Hier wordt eutectisch galliumindium gebruikt. Plaats een koperdraad met een diameter kleiner dan die van de druppel in het vloeibare metaal om de werkelektrode te vestigen. In zuur of base zal het vloeibare metaal het koper bevochtigen en daardoor een uitstekende elektrische verbinding vormen.

Plaats een geleidende tegenelektrode in de oplossing, maar niet in contact met het vloeibare metaal. Als de tegenelektrode een weerstand heeft van minder dan één ohm, zijn de afmetingen niet relevant. Verbind vervolgens de draden met een spanningsbron en breng een positief potentiaal toe op het vloeibare metaal.

Voor kleine vormveranderingen, breng positieve spanningen toe die minder dan één volt zijn. Voor grotere vormveranderingen, breng meer dan één volt toe. Om reductie uit te voeren, giet een druppel van het vloeibare metaal uit een spuit in een lege petrischaal.

Vervolgens, giet een neutrale waterige elektrolyt in de petrischaal tot een niveau dat het metaal onderdompelt. Plaats een koperdraad in het vloeibare metaal om als werkelektrode te fungeren, en plaats een geleidende draad in de elektrolyt om als tegenelektrode te fungeren. Verbind de draden met een spanningsbron en breng een negatief potentiaal toe op het vloeibare metaal.

Breng ongeveer min één volt toe om het oppervlakteoxide te verwijderen en ervoor te zorgen dat het metaal van het substraat ontwijkt. Het metaal zou eerst moeten ontwijken aan de kant die het dichtst bij de tegenelektrode ligt. Breng meer negatieve potentialen toe om de oxidelaag volledig te verwijderen.

Vermijd het toepassen van extreem grote negatieve spanningen om te voorkomen dat waterstofbelletjes op het vloeibare metaal verschijnen door reductie van de elektrolyt. Gebruik een lasersnijder of freesgereedschap om een direct pad van het centrum naar de rand van een stuk polymethylmethacrylaat, of PMMA, te snijden. Snijd het pad niet helemaal door de dikte van de PMMA.

Dit stuk zal dienen als substraat voor het vloeibare metaal. Snijd met hetzelfde gereedschap een gat van één vierkante millimeter door het midden van de PMMA. Gebruik het pad als gids en breng een geïsoleerde koperdraad, met alleen de punt blootgelegd, naar het centrum van de PMMA.

Plaats de draad zo dat deze uitsteekt boven het PMMA-oppervlak. Verzegeld de draad op zijn plaats met een lekvrije kleefstof. Snijd de draad net boven het oppervlak van de PMMA, maar laat hem niet te ver uitsteken, anders zal het de vorm van de druppel verstoren.

Lijm het PMMA-stuk in een transparante container waardoor een duidelijk beeld kan worden verkregen. Plaats de container in een contacthoekgoniometer zodat het oppervlakteprofiel van de druppel duidelijk zichtbaar is. Vul de container met één molair natriumhydroxide.

Plaats vervolgens een druppel van 25 tot 50 microliter vloeibaar metaal op de uitstekende koperdraad. Deze draad zal dienen als werkelektrode en zal de druppel bevochtigen. Verbind alle elektroden met een potentiostaat.

Plaats vervolgens een platina gaas tegenelektrode en een verzadigde zilver-zilverchloride referentie-elektrode in de oplossing. Gebruik de potentiostaat om de spanning ten opzichte van de referentie-elektrode te regelen, en gebruik de goniometer om de vorm en daarmee de oppervlaktespanning van de druppel te meten. Zorg ervoor dat de goniometer in staat is om de oppervlaktespanning van de sessile druppel te meten.

Vul een glazen capillair met een oplossing van één molair natriumhydroxide. De diameter van de capillair moet ongeveer één millimeter zijn. Plaats één uiteinde van de capillair vlak tegen een druppel vloeibaar metaal.

Lign de capillair zo dat deze parallel is aan het oppervlak van de tafel. Vermijd luchtspleetjes tussen de druppel vloeibaar metaal en de met elektrolyt gevulde capillair. Gebruik een doek om eventueel overtollig elektrolyt weg te deppen dat tijdens de montage kan zijn gelekt.

Plaats een koperdraad in het vloeibare metaal en een geleidende tegenelektrode in het open uiteinde van de capillair zodat deze contact maakt met de oplossing. Verbind de draden met een spanningsbron en breng een positief potentiaal toe op het vloeibare metaal. Het vloeibare metaal zou het capillair moeten beginnen te vullen.

Gebruik zachte litografische en replica-maltechnieken om microfluïdische kanalen te fabriceren die bestaan uit polydimethylsiloxaan, of PDMS. Fabriceer kanalen die ongeveer 100 tot 1.000 micron breed, 100 micron hoog en 25 tot 65 millimeter lang zijn. Injecteer vloeibaar metaal handmatig of met behulp van een spuitpomp om het kanaal volledig te vullen.

Gebruik een wattenstaafje dat is gedoopt in één molair natriumhydroxide of één molair zoutzuur om overtollige hoeveelheden vloeibaar metaal van de inlaat van het kanaal te verwijderen, zodat het metaal vlak blijft met het bovenoppervlak van het PDMS. Dompel één uiteinde van het kanaal in elektrolyt en plaats de anode zodat deze het elektrolyt raakt, maar niet het metaal. Aan het andere uiteinde van het kanaal, raakt een aparte elektrode het metaaloppervlak zodat het vloeibare metaal zelf als kathode fungeert.

Verbind deze draden met een spanningsbron en maak de elektrische kring compleet.