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 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.