Name: Een methode om oppervlaktespanning van een Liquid Metal Manipuleer via oxidatie en reductie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-26T19:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 20 s
Description: Leer hoe u oppervlaktespanning van vloeibaar metaal manipuleert via elektrochemische oxidatie en reductie. Deze methode maakt reversibele controle mogelijk voor toepassingen in herconfigureerbare elektronische apparaten.

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

De auteurs erkennen steun van Samsung, de NC State Chancellors Innovation Funds, NSF (CAREER CMMI-0954321 en Triangle MRSEC DMR-1121107), en Air Force Research Labs.

1. Manipulatie van de grensvlakspanning van Liquid Metal in Elektrolyt <ol><li> Oxydatie <ol><li> Giet een waterig elektrolyt (zuur of basisch) in een petrischaal. Om het oxide volledig verwijderd, gebruikt een zuur of base met een hogere concentratie dan 0,1 M 24 (bijvoorbeeld 1 M NaOH of 1 M HCl). Gebruik een volume dat de schotel zal vullen tot een diepte van ongeveer 1-3 mm. Vermijd contact van de huid met deze oplossingen. </li><li> Gebruik een spuit een druppel (optimaal tussen 10-500 pl) van een gallium gebaseerde legering in het elektrolyt te plaatsen. Voorbeelden zijn eutectische gallium indium (eGain) of gallium indium tin (Galinstan). Als zuivere gallium gebruikt, verwarmen de elektrolyt ten minste 30 ° C om bevriezing te voorkomen. </li><li> Plaats een koperdraad in het vloeibare metaal naar de werkelektrode stellen. Gebruik een koperdraad met een diameter kleiner dan die van de druppel en een digitale multimeter volgens de instructies van de fabrikant naar eNSure dat de draad heeft een weerstand van &lt;1 Ω. In zuur of base, wordt het vloeibare metaal de koperen bevochtigen en daardoor vormen een uitstekend elektrisch contact. </li><li> Plaats een geleidende tegenelektrode (bijvoorbeeld koper, grafiet, platina, etc.) in de oplossing, maar niet in contact met het vloeibare metaal. Als de contra-elektrode een weerstand van &lt;1 Ω, de afmetingen zijn irrelevant. </li><li> Sluit de draden met een spanningsbron en een positieve potentiaal aan het vloeibare metaal. Voor kleine vorm vervorming, gelden positieve spanningen &lt;1 V. Voor grotere vorm vervorming (en de beweging van het vloeibare metaal naar de contra-elektrode), van toepassing&gt; 1 V. Opmerking: De concentratie van de oplossing en de afstand van de druppel uit de tegenelektrode bepalen de spanning die nodig is om veranderingen in de grensvlakspanning te induceren aangezien de snelheid van de elektrochemische oxidatie concurreert met de snelheid van ontbinding oxide elektrolyt. </li></ol></li&gt; <li> Reductie <ol><li> Verdeel een druppel (10-500 pl) van het vloeibare metaal uit een injectiespuit in een lege petrischaal. </li><li> Giet een neutrale waterige elektrolyt in de petrischaal (bijvoorbeeld 1 M natriumfluoride (NaF) en 1 M natriumchloride (NaCl)) naar een niveau dat het metaal dompelt. Opmerking: zal gebruik van een zure (pH &lt;3) of basische (pH&gt; 10) bewerkstelligen dat het oxide spontaan oplossen. </li><li> Plaats een koperdraad in het vloeibare metaal op te treden als een werkelektrode en een geleidende draad (bijvoorbeeld koper) in de elektrolyt op te treden als de tegenelektrode. </li><li> Sluit de draden met een spanningsbron en een negatieve potentiaal aan het vloeibare metaal. Breng ongeveer -1 V het oppervlak oxide te verwijderen en veroorzaken het metaal Dewet van het substraat. Het metaal moet Dewet aan de zijde het dichtst bij de tegenelektrode. </li><li> Solliciteer negatiever potentials (&lt;-1 V) aan de oxidelaag volledig te verwijderen. Vermijd het aanbrengen van excestend grote negatieve spanningen om waterstof te bellen voorkomen, dat ze op het vloeibare metaal als gevolg van vermindering van de elektrolyt. </li></ol></li></ol> 2. Surface Tension Measurement via Sessile Droplet <ol><li> Het gebruik van een laser cutter of frees, snijd een direct pad van het midden naar de rand van een stuk van polymethylmethacrylaat (PMMA) (~ 1 mm dik) Mis pad niet snijden helemaal door de dikte van het PMMA.; alleen knippen ongeveer halverwege. Dit stuk zal dienen als een substraat voor het vloeibare metaal. Andere vlak en elektrisch isolerende materialen zoals glas, keramiek of polymeren kunnen ook dienen als substraat. </li><li> Met hetzelfde gereedschap, snijd een 1 mm 2 gat door het midden van het PMMA. </li><li> De pad als leidraad, uitvoeren van een geïsoleerde koperdraad met het topje blootgesteld aan het midden van het PMMA. Plaats de draad, zodat het uitsteekt over de PMMA oppervlak. Verzegeling van de draad op zijn plaats met een lekvrije lijm. Besnoeiingde draad net boven de oppervlakte van de PMMA, maar laat het niet verlengen te ver (buiten ~ 100 micrometer) of het zal de vorm van de druppel verstoren. </li><li> Tape de PMMA stuk beneden in een transparante houder waardoor een duidelijk beeld worden verkregen. Vul het vat met 1 M NaOH en plaats een 25-50 ul druppel vloeistof metaal op de uitstekende koperdraad. Deze draad zal dienen als de werkelektrode en de druppel bevochtigen. </li><li> Plaats een platina gaas tegenelektrode en een verzadigde zilver / zilverchloride (Ag / AgCl) referentie-elektrode in de oplossing. Sluit alle elektroden een potentiostaat. </li><li> Plaats de houder in een contacthoek goniometer zodat het oppervlakteprofiel van de druppel duidelijk zichtbaar. Gebruik de potentiostaat de spanningsregeling opzichte van de referentie-elektrode en gebruik de goniometer de vorm en daarmee de grensvlakspanning van de druppel gemeten. Zorg ervoor dat de goniometer is geschikt voor het meten sessiele druppel grensvlak Tensiop; Het is ook mogelijk om eigen axisymmetrische vormanalyse drop beelden uit een horizontaal gemonteerde camera 25 gebruikt. </li></ol> 3. Capillaire Injectie <ol><li> Vul een glazen capillair met een oplossing van 1 M NaOH. De capillaire diameter moet ~ 1 mm zijn. </li><li> Plaats een uiteinde van het capillair vlak tegen een druppel vloeibaar metaal. Lijn de capillaire zodat deze evenwijdig met het oppervlak van de tabel (dat wil zeggen, loodrecht op de zwaartekracht) is. Vermijd luchtspleten tussen het vloeibare metaal drop en-elektrolyt gevulde capillaire. Met behulp van een veeg, dep de overtollige elektrolyt die tijdens de montage kunnen hebben gelekt. </li><li> Plaats een koperdraad (werkelektrode) in het vloeibare metaal en een geleidende tegenelektrode (bijvoorbeeld koperdraad) in het open uiteinde van de capillair, zodat deze de oplossing. </li><li> Sluit de draden met een spanningsbron en een positieve potentiaal aan het vloeibare metaal. Het vloeibare metaal moet beginnen vullen van de capillary (vermijd grote potentieel dat overtollige vorming van zeepbel op de tegenelektrode zal veroorzaken). </li></ol> 4. capillaire Intrekking <ol><li> Gebruik maken van zachte lithografische 26 en replica gieten technieken om microfluïdische kanalen samengesteld uit polydimethylsiloxaan (PDMS) fabriceren. Fabriceren kanalen die ongeveer 100 tot 1000 urn breed, 100 urn lang en 25 tot 65 mm lang. Opmerking: Channel afmetingen 1000 micrometer breed, 100 micrometer lang en 65 mm lang kanaal geproduceerd consistente resultaten, maar anderen kunnen ook werken. U kunt ook gebruik maken van glas haarvaten (bijvoorbeeld 1 mm diameter, borosilicaatglas) in plaats van PDMS microkanalen. </li><li> Injecteren vloeibaar metaal handmatig of met behulp van een injectiespuit pomp om het kanaal volledig te vullen (dat wil zeggen, 6,5 mm 3 voor een 1000 micrometer breed, 100 micrometer lang en 65 mm lang kanaal). </li><li> Met behulp van een wattenstaafje dat is ondergedompeld in 1 M NaOH of 1 M HCl, verwijder overtollige hoeveelheden liquid metaal uit de inlaat (en, indien nodig, de uitlaat) van het kanaal, zodat het metaal blijft gelijk met het bovenvlak van het PDMS. </li><li> Dompel een uiteinde van het kanaal in elektrolyt (bijvoorbeeld 1 M NaCl) en plaats de anode (bijvoorbeeld draden van koper, platina of wolfraam) zodanig dat deze tegen de elektrolyt maar niet het metaal. </li><li> Aan het andere uiteinde van het kanaal, contact aparte elektrode (bijvoorbeeld Cu draad) op het metaaloppervlak zodat vloeibaar metaal zelf dient als kathode. </li><li> Verbind deze draden (dat wil zeggen, anode en kathode) met een spanningsbron of een potentiostaat en vul het elektrische circuit. Voor een drie elektroden systeem, plaatst de referentie-elektrode zodat het nauwelijks dompelt in de druppel elektrolyt. </li><li> Alvorens een reducerend spanning, zet een videocamera op een statief of een microscoop om de experimenten te nemen. Gebruik autofocus om alles in beeld te krijgen. Gebruik maken van handmatige scherpstelling om een ​​betere controle over hebbenscherptediepte, witbalans en ISO. Indien nodig, gebruik maken van een hogere F stop (dwz, 11 of hoger), 1/100 ste sluiter, automatische witbalans en automatische ISO. </li><li> Beginnen met het opnemen van het experiment. Solliciteer ongeveer -1 V om het vloeibare metaal te trekken uit de microkanalen. Draai de spanning uit om het metaal te veroorzaken om te stoppen met bewegen in neutrale elektrolyt. </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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

<html> Deze werkwijze regelt de oppervlaktespanning van gallium gebaseerde vloeibare metalen met behulp van kleine spanningen aan de afzetting en het verwijderen van een oppervlak oxide drijven. Hoewel de methode alleen werkt in elektrolytoplossingen, is het eenvoudig, en werkt in een groot aantal verschillende omstandigheden, maar er zijn subtiele vermeldenswaard. Aangezien elektrische potentiaal, zowel zure en basische oplossingen etsen weg het oxyde 27. De toepassing van een oxidatieve potentieel drijft de ...

Deze methode biedt een eenvoudige manier om de oppervlaktespanning van vloeibare metalen met gallium te beheersen. De methode gebruikt bescheiden spanningen (~1 V) die rechtstreeks op het vloeibare metaal worden toegepast (in verhouding tot een tegenelektrode in aanwezigheid van elektrolyt) om enorme en omkeerbare veranderingen in de oppervlaktespanning van het metaal te bereiken1. 
Oppervlaktespanning is een dominante kracht voor vloeistoffen op kleine lengteschalen en is belangrijk voor een aantal capillaire fenomenen, waaronder bevochtiging, spreiding en door oppervlaktespanning aangedreven stroming. Bijgevolg is de mogelijkheid om de oppervlaktespanning te beheersen een verstandige manier om de vorm, positie en stroming van vloeistoffen op sub-mm lengteschalen te manipuleren. De meest gebruikelijke manier om de oppervlaktespanning tussen twee vloeistoffen te veranderen, is door een oppervlakteactieve stof te gebruiken, een molecuul dat de grenslaag tussen de vloeistoffen overspant. Oppervlakteactieve stoffen verlagen de oppervlaktespanning, maar op een manier die niet gemakkelijk omkeerbaar is, omdat het moeilijk is om oppervlakteactieve stoffen uit de grenslaag te verwijderen. De oppervlaktespanning kan ook worden gewijzigd met behulp van verschillende technieken, waaronder temperatuurgradienten2,3, licht4, oppervlaktechemie5-7 en spanning8. Maar de meeste van deze methoden resulteren in bescheiden veranderingen in de oppervlaktespanning, vooral voor vloeibare metalen, die opmerkelijk grote oppervlaktespanningen hebben.
De mogelijkheid om de oppervlaktespanning van vloeibaar metaal te beheersen, zou nieuwe kansen kunnen bieden voor het creëren van vormherstelbare structuren met metaaleigenschappen voor elektronische, thermische en optische toepassingen9-14. Het meest gebruikelijke vloeibare metaal is Hg, dat bekend staat om zijn toxiciteit. De hier beschreven methoden zijn relevant voor vloeibare metalen op basis van gallium. Deze metalen hebben een lage viscositeit, grote oppervlaktespanning, lage vluchtigheid (lage dampdruk) en lage toxiciteit15. Belangrijk is dat deze metalen oppervlakteoxiden vormen die uit galliumoxide bestaan en die een paar nm dik zijn in de lucht16. Deze oxidelaag creëert een fysieke huid die historisch gezien een hindernis was voor elektrochemische en vloeistofdynamische toepassingen17. De hier beschreven methode maakt op nieuwe manieren gebruik van het oxide om de oppervlaktespanning te beheersen.
De meest gebruikelijke manier om vloeibare metalen in elektrolyt te manipuleren, is door een potentiaal toe te passen op het metaal ten opzichte van een tegenelektrode18. Tegengesteld geladen ionen uit de elektrolyt passen de ladingen op het metaal, waardoor de interfacientensie daalt. Dit fenomeen, elektrocapillariteit genoemd, is al sinds de jaren 1870 bekend, zoals beschreven door Lippman19 en is gebruikt voor legeringen van gallium20. Typisch bereikt elektrocapillariteit bescheiden veranderingen in de oppervlaktespanning, omdat ongewenste elektrochemische reacties het bereik van spanningen die op het metaal worden toegepast, beperken. In tegenstelling hiertoe maakt de hier beschreven methode gebruik van de oppervlakteoxidatie van het metaal (of omgekeerd, de reductie van het oppervlakteoxide) als een manier om enorme veranderingen in de oppervlaktespanning te bereiken, boven en buiten de veranderingen die resulteren uit elektrocapillariteit. De leidende verklaring voor dit fenomeen is dat het oxide asymmetrisch is; dat wil zeggen, het buitenoppervlak van het oxide eindigt met hydroxylgroepen (wat een lage interfacientensie-interface met de waterige elektrolyt maakt), en het binnenoppervlak van het oxide eindigt met galliumatomen (wat een lage interfacientensie-interface met het metaal maakt). In tegenstelling hiermee resulteert de verwijdering van het oxide via elektrochemische reductie in een blote metaal-elektrolyt-interface, die het metaal terugbrengt naar een toestand van hoge oppervlaktespanning. We karakteriseren de interfacientensie van het metaal door de vorm van sessile druppels te analyseren als functie van de spanning, onder de veronderstelling dat zwaartekracht en oppervlaktespanning de dominante krachten zijn die de kromming van het oppervlak bepalen. 
Het voordeel van deze techniek ten opzichte van klassieke elektrocapillariteit is dat het de spanning van vloeibare metalen met lage toxiciteit op omkeerbare wijze kan afstemmen over enorme bereiken (van ~500 mN/m tot bijna nul). Deze deltaverandering in oppervlaktespanning is misschien wel de grootste ooit gerapporteerd in de literatuur voor welke vloeistof dan ook en het kan op een afstembare en omkeerbare manier worden bereikt. Deze grote veranderingen in oppervlaktespanning zijn nuttig voor het manipuleren van het capillaire gedrag van metalen; bijvoorbeeld, het kan het metaal ertoe brengen zich op een oppervlak te verspreiden, het metaal uit microkanalen terugtrekken, microkanalen met metaal te vullen en de Rayleigh-onstabiliteiten te overwinnen om vezels van vloeibaar metaal te vormen1,21. 
Een nadeel van deze techniek is dat het elektrolyt vereist. Het werkt het beste onder zure of basische omstandigheden, omdat deze elektrolyten overtollig oppervlakteoxide verwijderen dat anders het oppervlak van het metaal zou verontreinigen en mechanisch de beweging van het metaal beperkt. De gelijktijdige verwijdering en afzetting van de oxidelaag compliceert de analyse van de interfacienfenomenen en het is onze hoop dat de methoden die in dit artikel worden beschreven, aanvullende analyse mogelijk maken. Een ander nadeel is dat de elektrochemische reacties aan het oppervlak van het metaal moeten worden gematcht door complementaire halfreacties aan de tegenelektrode22,23. Dit kan leiden tot waterstofbelletjes die zich vormen aan de tegenelektrode.

<table><tbody><tr><td>Eutectic Gallium Indium</td><td>Indium Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Natriumhydroxide</td><td>Fisher Scientific</td><td>2318-3</td><td></td></tr><tr><td>Zoutzuur</td><td>Fisher Scientific</td><td>A481-212</td><td></td></tr><tr><td>Natriumfluoride</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>201154</td><td></td></tr><tr><td>Optische Lijm</td><td>Norland</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxaan (Sylgard-184)</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>Silicone Elastomer Kit</td></tr><tr><td>Borosilicaatglas capillairen</td><td>Friedrich and Dimmoch</td><td>B41972</td><td></td></tr><tr><td>Ag/AgCl Referentie-elektrode</td><td>Microelectrodes Inc.</td><td>MI-401F</td><td></td></tr><tr><td>Spanningsbron</td><td>Keithley</td><td>3390</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat</td><td>Gamry</td><td>Ref 600</td><td></td></tr><tr><td>Lasersnijder</td><td>Universal Laser Systems</td><td>VLS 3.50</td><td></td></tr></tbody></table>

een methode om oppervlaktespanning van een liquid metal manipuleer via oxidatie en reductie

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

Controlling grensvlakspanning is een effectieve methode voor het manipuleren van de vorm, positie en vloeistofstroom op sub-millimeter lengteschalen, waarbij grensvlakspanning is een dominante kracht. Verschillende werkwijzen bestaan ​​voor de grensvlakspanning van waterige en organische vloeistoffen op deze schaal; Maar deze technieken nut voor vloeibare metalen beperkt vanwege hun grote grensvlakspanning. Vloeibare metalen kunnen zacht, rekbaar, en de vorm-herconfigureerbare componenten in elektronische en elektromagnetische apparaten vormen. Hoewel het mogelijk is deze vloeistoffen via mechanische methoden (bijvoorbeeld pompen) te manipuleren, elektrische werkwijzen gemakkelijker te miniaturiseren, controle en implementeren. Echter, de meeste elektrische technieken hebben hun beperkingen: electrowetting-on-diëlektrische vereist grote (kV) potentieel voor bescheiden bediening, electrocapillarity kunnen beïnvloeden relatief kleine veranderingen in de grensvlakspanning en continue electrowetting beperkt tot pluggen van het vloeibare metaal in capillairen. Hier presenteren we een werkwijze voor het bedienen van gallium en gallium gebaseerde vloeibare metaallegeringen via een elektrochemische reactie oppervlak. Beheersing van de elektrochemische potentiaal van het oppervlak van het vloeibare metaal in elektrolyt snel en wederzijds verandert de grensvlakspanning meer dan twee orden van grootte (̴500 mN / m tot bijna nul). Bovendien vereist deze werkwijze slechts een zeer geringe potentiaal (&lt;1 V) aangebracht ten opzichte van een tegenelektrode. De resulterende verandering in spanning vooral door de elektrochemische afzetting van een oppervlak oxidelaag, die fungeert als een oppervlakteactieve stof; verwijderen van de oxide verhoogt de grensvlakspanning en vice versa. Deze techniek kan worden toegepast in een breed scala van elektrolyten en onafhankelijk is van het substraat waarop het rust.

Figuur 1 A toont een voorbeeld van de eenvoudige twee-elektroden techniek voor oxidatie en reductie. In dat geval is een 70 ul druppel van het vloeibare metaal in een 1 M NaOH-oplossing in contact een koperdraad om een ​​elektrische verbinding. De 1 M NaOH verwijdert het oppervlak oxide van het metaal en kan de metalen in pareltjes vanwege de grensvlakspanning. Het toepassen van een 2,5 V potentiaal tussen de druppel en een platina ...

We presenteren een methode om de interfaciale energie van een vloeibaar metaal in een elektrolyt te beheersen via elektrochemische afzetting (of verwijdering) van een oppervlakteoxidelaag. Deze eenvoudige methode kan het capillaire gedrag van gallium-gebaseerde vloeibare metalen beheersen door de interfaciale energie snel, significant en reversibel af te stemmen met behulp van bescheiden voltages.

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

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

Het algemene doel van deze procedure is om de manipulatie van vloeibaar metaal onder invloed van elektrochemische potentialen aan te tonen. Deze methode stelt het mogelijk om de grensvlakspanning van vloeibaar metaal over een enorm bereik aan te passen, terwijl tegelijkertijd de rol van oxiden bij de grensvlakspanning wordt verduidelijkt. De belangrijkste aantrekkingskracht van deze techniek is dat deze eenvoudig is, reversibel is en slechts zeer bescheiden potentialen vereist.Dit is gebruikt voor het maken van elektronische apparaten die reconfigureerbaar zijn en vrijwel geheel bestaan uit Om oxidatie uit te voeren, giet een waterige elektrolyt in een petrischaal. Gebruik een volume dat de schaal tot een diepte van ongeveer één tot drie millimeter vult. Gebruik een spuit om een druppel van een legering op basis van gallium in de elektrolyt te plaatsen.Hier wordt eutectisch gallium-indium gebruikt. Plaats een koperdraad met een diameter die kleiner is dan die van de druppel in het vloeibare metaal om de werkelektrode te vormen. In een zuur of een base zal het vloeibare metaal het koper bevochtigen en zo een uitstekend elektrisch contact vormen.Plaats een geleidende tegenelektrode in de oplossing, maar zorg dat deze geen contact maakt met het vloeibare metaal. Als de tegenelektrode een weerstand van minder dan één ohm heeft, zijn de afmetingen irrelevant. Sluit vervolgens de draden aan op een spanningsbron en breng een positief potentiaal aan op het vloeibare metaal.Pas voor een kleine vormvervorming positieve spanningen van minder dan één volt toe. Pas voor een grotere vormvervorming een spanning van meer dan één volt toe. Om reductie uit te voeren, brengt u met een spuit een druppel van het vloeibare metaal aan in een lege petrischaal.Giet vervolgens een neutraal waterig elektrolyt in de petrischaal tot een niveau waarbij het metaal volledig is ondergedompeld. Plaats een koperdraad in het vloeibare metaal om als werkelektrode te dienen, en plaats een geleidende draad in het elektrolyt om als tegenelektrode te dienen. Verbind de draden met een spanningsbron en leg een negatief potentiaal aan op het vloeibare metaal.Breng ongeveer min één volt aan om het oppervlakteoxide te verwijderen en ervoor te zorgen dat het metaal loslaat (de-wetting) van het substraat. Het metaal zou eerst moeten loslaten aan de zijde die het dichtst bij de tegenelektrode ligt. Pas negatievere potentialen toe om de oxidelaag volledig te verwijderen.Vermijd het aanbrengen van overmatig grote negatieve spanningen om te voorkomen dat er waterstofbellen op het vloeibare metaal ontstaan door reductie van het elektrolyt. Snijd met een lasersnijder of een freesmachine een direct pad van het midden naar de rand van een stuk polymethylmethacrylaat, oftewel PMMA. Snijd het pad niet volledig door de dikte van het PMMA heen.Dit onderdeel dient als substraat voor het vloeibare metaal. Maak met hetzelfde gereedschap een gat van één vierkante millimeter door het midden van het PMMA. Gebruik het pad als geleider om een geïsoleerde koperdraad, waarvan alleen de tip is blootgesteld, naar het midden van het PMMA te leiden.Positioneer de draad zodanig dat deze over het PMMA-oppervlak steekt. Zet de draad vast met een lekvrije lijm. Knip de draad vlak boven het oppervlak van het PMMA af, maar laat deze niet te ver uitsteken, omdat dit de vorm van de druppel kan verstoren.Plak het PMMA-stuk vast in een transparante container waardoor een helder beeld verkregen kan worden. 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 vloeibaar metaal van 25 tot 50 µL op de uitstekende koperdraad. Deze draad dient als werkelektrode en zal de druppel bevochtigen. Sluit alle elektroden aan op een potentiostaat.Plaats vervolgens een platina gaas-tegenelektrode en een verzadigde zilver/zilverchloride-referentie-elektrode in de oplossing. Gebruik de potentiostaat om het voltage ten opzichte van de referentie-elektrode te regelen en gebruik de goniometer om de vorm en daarmee de grensvlakspanning van de druppel te meten. Zorg ervoor dat de goniometer in staat is om de grensvlakspanning van een sessiele druppel te meten.Vul een glazen capillair met een oplossing van één molair natriumhydroxide. De diameter van het capillair moet ongeveer één millimeter zijn. Plaats één uiteinde van het capillair vlak tegen een druppel vloeibaar metaal.Lijn de capillair zo uit dat deze parallel loopt aan het tafeloppervlak. Voorkom dat er luchtbellen ontstaan tussen de druppel vloeibaar metaal en de met elektrolyt gevulde capillair. Gebruik een doekje om eventueel overtollige elektrolyt te verwijderen die tijdens de assemblage is gelekt.Plaats een koperdraad in het vloeibare metaal en een geleidende tegenelektrode in het open uiteinde van de capillair, zodat deze in contact komt met de oplossing. Verbind de draden met een spanningsbron en leg een positief potentiaal aan op het vloeibare metaal. Het vloeibare metaal zou de capillair moeten beginnen te vullen.Maak gebruik van zachte lithografische technieken en replica-gieten om microfluïdische kanalen te vervaardigen die bestaan uit polydimethylsiloxaan, of PDMS. Vervaardig 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 spuitenpomp, om het kanaal volledig te vullen.Gebruik een wattenstaafje dat is gedoopt in 1 M natriumhydroxide of 1 M zoutzuur om overtollige hoeveelheden vloeibaar metaal uit de inlaat van het kanaal te verwijderen, zodat het metaal vlak met het bovenoppervlak van de PDMS blijft. Dompel één uiteinde van het kanaal onder in elektrolyt en plaats de anode zodanig dat deze het elektrolyt raakt, maar niet het metaal. Maak aan het andere uiteinde van het kanaal contact met een aparte elektrode op het metaaloppervlak, zodat het vloeibare metaal zelf als kathode fungeert.Sluit deze draden aan op een spanningsbron en voltooi het elektrische circuit. Plaats bij een drie-elektrodensysteem de referentie-elektrode zodanig dat deze net in de druppel elektrolyt wordt ondergedompeld. Monteer vóór het aanleggen van een reducerende spanning een videocamera op een statief of in een microscoop om de experimenten op te nemen.Gebruik de autofocusmodus om alles scherp te stellen. Maak gebruik van de handmatige focus voor een betere controle over de scherptediepte, witbalans en ISO. Gebruik indien nodig een hoger diafragmagetal, een sluitertijd van 1/100 seconde, automatische witbalans en automatische ISO.Start de opname van het experiment. Breng ongeveer min één volt aan om het vloeibare metaal uit de microkanalen te trekken. Schakel de spanning uit om het metaal te laten stoppen met bewegen in de neutrale elektrolyt.Hier wordt een goniometer-video getoond van het vloeibare metaal dat zich verspreidt onder invloed van het elektrochemisch potentiaal. Een afname in hoogte duidt op een oxidatiever potentiaal. De grensvlakspanning kan worden bepaald aan de hand van de kromming van de druppel.Het gebied links van de stippellijn waar de oxidelaag afwezig is, vertoont een typisch elektro-capillair gedrag. Wanneer de oxidelaag echter aanwezig is, vertoont de grensvlakspanning een sterke daling, die verder afneemt naarmate er hogere spanningen worden aangelegd. Het aanleggen van een reducerend potentiaal op het metaal verwijdert de oxide en zorgt ervoor dat het metaal zich terugtrekt uit de microkanalen.Deze grafiek toont het snelheidsprofiel van de capillaire terugtrekking bij een constant voltage. Naarmate het vloeibare metaal wordt vervangen door elektrolyt, neemt de elektrische weerstand in het microkanaal toe, wat leidt tot een daling van de snelheid in de loop van de tijd. Zodra deze techniek onder de knie is, kan deze in enkele minuten worden uitgevoerd, wat wetenschappers en ingenieurs in staat stelt dit unieke fenomeen verder te bestuderen.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Scheikunde

Ultrasone snelheidsmeting wordt gebruikt om menging door vloeistofstroming in elektroden van vloeibaar metaal te bestuderen. Het doel van dit manuscript is om de methoden te illustreren die worden gebruikt voor het maken van nauwkeurige, ruimtelijk opgeloste ultrasone metingen, terwijl oxidatie wordt beperkt en temperatuur, toegepaste stroom en het toegevoerde vermogensvermogen worden gecontroleerd en bewaakt.

Ultrasound snelheidsmeting in een Liquid Metal elektrode

Hier presenteren we een protocol voor het synthetiseren Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O heterojunctions in de open lucht bij lage temperatuur via luchtdruk ruimtelijke atomic layer deposition (AP-SALD) van Zn 1-x Mg x O op koperoxide. Dergelijke hoge kwaliteit conforme metaaloxiden kan worden geteeld op een verscheidenheid van substraten, waaronder kunststoffen door deze goedkope en schaalbaar methode.

Verbeterde Heterojunction Kwaliteit in Cu<sub&gt; 2</sub&gt; O-gebaseerde zonnecellen door het optimaliseren van de atmosferische druk Ruimtelijke Atomic Layer Afgezet<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; Mg<sub&gt; x</sub&gt; O

Gladde oppervlakken bieden een nieuwe manier op te lossen het probleem van de hechting. Dit protocol wordt beschreven hoe het fabriceren van gladde oppervlakken bij hoge temperaturen. De resultaten tonen aan dat de gladde oppervlakken anti-bedplassen voor vloeistoffen en een opmerkelijk effect van het Anti-adhesie op weke bij hoge temperaturen toonde.

Voorbereiding en hoge-temperatuur-Anti-adhesie gedrag van een glad oppervlak op roestvast staal

In kolomvorm zinkoxide structuren in de vorm van staven worden gesynthetiseerd via aerosol-bijgewoonde chemische damp afzetting zonder het gebruik van vooraf gedeponeerde katalysator-zaad deeltjes. Deze methode is schaalbaar en compatibel met verschillende ondergronden op basis van silicium, kwarts of polymeren.

Aerosol-bijgewoonde Chemical Vapor Deposition van metaaloxide structuren: zinkoxide staven

Een protocol voor het fabriceren van nanoporeuze anodic aluminium stikstofoxiden via gelijktijdig meerdere oppervlakken anodisatie gevolgd door trap-achtige omgekeerde vertekeningen detachementen wordt gepresenteerd. Het kan herhaaldelijk worden toegepast op de dezelfde aluminium substraat, een facile tentoonstellen, hoge opbrengst en ecologisch schoon strategie.

Gelijktijdige meerdere oppervlakte Anodizations en trap-achtige omgekeerde vertekeningen detachement van Anodic aluminium stikstofoxiden in zwavelzuur en oxaalzuur elektrolyt

Wij fabriceren metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren met behulp van een combinatie van gepulste laser afzetting en in situ magnetron sputteren. Door magnetotransport en in situ X-ray photoelectron spectroscopie experimenten onderzoeken we de wisselwerking tussen elektrostatische en chemische fenomenen van het quasi tweedimensionaal electron gas gevormd in dit systeem.

Groei en elektrostatische fysico-chemische eigenschappen van metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren

We illustreren verscheidene methoden te produceren superhydrophobic metalen oppervlakken en te verkennen hun duurzaamheid en anti-slagroom eigenschappen.

Fabricage van Superhydrophobic metalen oppervlakken voor anti-slagroom toepassingen

Gepresenteerd is een eenvoudige methode om het fabriceren van nano-micro multiscale structuren, voor functionele oppervlakken, door samenvoeging van nanofibers die zijn vervaardigd met behulp van een filter anodic aluminium oxide.

Multiscale structuren samengevoegd door ingeprinte Nanofibers voor functionele oppervlakken

Oxidematerialen vertonen veel exotische eigenschappen die kunnen worden gecontroleerd door het zuurstofgehalte af te stemmen. Hier demonstreren we de afstemming van het zuurstofgehalte in oxiden door de gepulseerde laserdepositieparameters te variëren en door postgloeiing uit te voeren. Als voorbeeld worden elektronische eigenschappen van op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren afgestemd door groeimodificaties en gloeien.

Afstemmen van oxide-eigenschappen door zuurstofvacuümregeling tijdens groei en gloeien

Een synthesemethode om poreuze op platina gebaseerde macrobuizen en macrobalken met een vierkante doorsnede te verkrijgen door chemische reductie van onoplosbare zoutnaaldensjablonen wordt gepresenteerd.

Een salt-templated synthesemethode voor op poreuze platina gebaseerde macrobalken en macrobuisjes

Leer hoe u oppervlaktespanning van vloeibaar metaal manipuleert via elektrochemische oxidatie en reductie. Deze methode maakt reversibele controle mogelijk voor toepassingen in herconfigureerbare elektronische apparaten.

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

Meer video's verkennen