Artykuł metodologiczny

Metoda manipulowania napięciem powierzchniowym ciekłego metalu poprzez utlenianie i redukcję powierzchni

DOI:

10.3791/53567

⸱

26 stycznia 2016

 ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, North Carolina State University

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prezentujemy metodę kontrolowania energii międzyfazowej ciekłego metalu w elektrolicie poprzez elektrochemiczne osadzanie (lub usuwanie) powierzchniowej warstwy tlenku. Ta prosta metoda może kontrolować zachowanie kapilarne ciekłych metali na bazie galu poprzez szybkie, znaczące i odwracalne dostrajanie energii międzyfazowej przy użyciu skromnych napięć.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kontrolowanie napięcia międzyfazowego jest skuteczną metodą manipulowania kształtem, położeniem i przepływem płynów w submilimetrowych skalach długości, gdzie napięcie międzyfazowe jest dominującą siłą. Istnieje wiele metod kontrolowania napięcia międzyfazowego cieczy wodnych i organicznych w tej skali; Jednak techniki te mają ograniczoną użyteczność w przypadku ciekłych metali ze względu na ich duże napięcie międzyfazowe.

Ciekłe metale mogą tworzyć miękkie, rozciągliwe i rekonfigurowalne kształty komponenty w urządzeniach elektronicznych i elektromagnetycznych. Chociaż możliwe jest manipulowanie tymi płynami metodami mechanicznymi (np. pompowanie), metody elektryczne są łatwiejsze do miniaturyzacji, kontrolowania i wdrażania. Jednak większość technik elektrycznych ma swoje własne ograniczenia: elektrozwilżanie na dielektryku wymaga dużych potencjałów (kV) do umiarkowanego uruchamiania, elektrokapilarność może wpływać na stosunkowo niewielkie zmiany napięcia międzyfazowego, a ciągłe elektrozwilżanie jest ograniczone do zatyczek ciekłego metalu w kapilarach.

Tutaj prezentujemy metodę uruchamiania galu i stopów ciekłych metali na bazie galu poprzez elektrochemiczną reakcję powierzchniową. Kontrolowanie potencjału elektrochemicznego na powierzchni ciekłego metalu w elektrolicie szybko i odwracalnie zmienia napięcie międzyfazowe o ponad dwa rzędy wielkości (̴500 mN/m do prawie zera). Ponadto metoda ta wymaga jedynie bardzo skromnego potencjału (< 1 V) przyłożonego względem przeciwelektrody. Wynikająca z tego zmiana napięcia wynika przede wszystkim z elektrochemicznego osadzania się powierzchniowej warstwy tlenku, która działa jak środek powierzchniowo czynny; Usunięcie tlenku zwiększa napięcie międzyfazowe i odwrotnie. Technika ta może być stosowana w szerokiej gamie elektrolitów i jest niezależna od podłoża, na którym spoczywa.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta metoda zapewnia prosty sposób na kontrolowanie napięcia powierzchniowego ciekłych metali zawierających gal. Metoda wykorzystuje niewielkie napięcia (~1 V) przyłożone bezpośrednio do ciekłego metalu (względem przeciwelektrody w obecności elektrolitu) w celu uzyskania ogromnych i odwracalnych zmian napięcia powierzchniowego metalu1.

Napięcie powierzchniowe jest dominującą siłą dla cieczy o małej długości i jest ważne dla wielu zjawisk kapilarnych, w tym zwilżania, rozprowadzania i przepływu napędzanego napięciem powierzchniowym. W związku z tym możliwość kontrolowania napięcia powierzchniowego jest rozsądnym sposobem manipulowa....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Manipulowanie napięciem międzyfazowym ciekłego metalu w elektrolicie

  1. utlenianie
    1. Wlej wodny elektrolit (kwaśny lub zasadowy) do szalki Petriego. Aby upewnić się, że tlenek został całkowicie usunięty, należy użyć kwasu lub zasady o stężeniu większym niż 0,1 M24 (np. 1 M NaOH lub 1 M HCl). Użyj objętości, która wypełni naczynie na głębokość około 1-3 mm. Unikaj kontaktu ze skórą z tymi roztworami.
    2. Za pomocą strzykawki umieść kroplę (optymalnie między 10-500 μl) stopu na bazie galu w elektrolicie. Przykładami są eutektyczny gal ind (EGaIn) lub gal indowo-cyna (Galinstan). Jeśli używany jest czysty gal, podgrzej ele....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 1A pokazuje przykład prostej techniki dwuelektrodowej do utleniania i redukcji. W tym przypadku kropla ciekłego metalu o objętości 70 μl umieszczona w 1 M roztworze NaOH styka się z drutem miedzianym w celu ustanowienia połączenia elektrycznego. 1 M NaOH usuwa tlenek powierzchniowy z metalu i umożliwia metalowi perlenie się ze względu na napięcie międzyfazowe. Przyłożenie potencjału 2,5 V między kroplą a przeciwelektrodą z si.......

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Metoda ta kontroluje napięcie powierzchniowe ciekłych metali na bazie galu za pomocą małych napięć do napędzania osadzania i usuwania tlenku powierzchniowego. Chociaż metoda działa tylko w roztworach elektrolitów, jest prosta i działa w wielu różnych warunkach, ale są subtelności, na które warto zwrócić uwagę. W przypadku braku potencjału elektrycznego zarówno roztwory kwasowe, jak i zasadowe wytrawiają tlenek27. Zastosowanie potencjału oksydacyjnego napędza powstawanie tlenków powierzchniowych we wszystkich e.......

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy dziękują za wsparcie ze strony Samsunga, NC State Chancellors Innovation Funds, NSF (CAREER CMMI-0954321 i Triangle MRSEC DMR-1121107) oraz Air Force Research Labs.

....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Eutektyczny Gal IndiumIndium Corporation
Wodorotlenek soduFisher Scientific2318-3
Kwas solnyFisher ScientificA481-212
Fluorek soduSigma-Aldrich201154
Klej optycznyNorlandNOA81
Polidimetylosiloksan ( Sylgard-184)Dow CorningZestaw elastomerów silikonowych
Kapilary ze szkła borokrzemianowegoFriedrich and DimmochB41972
Ag/AgCl Elektrody referencyjneMikroelektrody Inc.MI-401F
Źródło napięciaKeithley3390
PotencjostatGamryRef 600
Wycinarka laserowaUniwersalne systemylaserowe VLS 3.50

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Khan, M. R., Eaker, C. B., Bowden, E. F., Dickey, M. D. Giant and switchable surface activity of liquid metal via surface oxidation. Proc. Natl. Acad. Sci. 111 (39), 14047-14051 (2014).
  2. Kataoka, D. E., Troian, S. M. Patterning liquid flow on the microscopic scale. Nature.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

potencja elektrochemicznywarstwa tlenkowastop galunapi cie powierzchniowe mi dzyfazoweroztw r elektrolituelektroda roboczaelektroda przeciwnak t zwil ania

Powiązane artykuły