Name: Metoda manipulowania napięciem powierzchniowym ciekłego metalu poprzez utlenianie i redukcję powierzchni (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-26T19:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 20 s
Description: Poznaj metodę elektrochemicznej manipulacji napięciem powierzchniowym ciekłych metali poprzez kontrolowane utlenianie i redukcję warstwy tlenkowej. Technika ta umożliwia odwracalne sterowanie zachowaniem kapilarnym przy niskich napięciach.

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

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.

1. Manipulowanie napięciem międzyfazowym ciekłego metalu w elektrolicie
<ol>
	<li>utlenianie
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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 elektrolit do co najmniej 30 °C, aby zapobiec zamarzaniu.</li>
		<li>Umieść drut miedziany w ciekłym metalu, aby ustalić elektrodę roboczą. Użyj drutu miedzianego o średnicy mniejszej niż średnica kropli i użyj multimetru cyfrowego zgodnie z instrukcjami producenta, aby upewnić się, że drut ma rezystancję < 1 Ω. W kwasie lub zasadzie ciekły metal zwilży miedź, a tym samym utworzy doskonały kontakt elektryczny.</li>
		<li>Umieść przewodzącą przeciwelektrodę (np. miedź, grafit, platynę itp.) w roztworze, ale nie stykaj się z ciekłym metalem. Jeśli przeciwelektroda ma rezystancję < 1 Ω, jej wymiary nie mają znaczenia.</li>
		<li>Podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż dodatni potencjał do ciekłego metalu. W przypadku małych odkształceń kształtu należy zastosować napięcia dodatnie < 1 V. W przypadku większych odkształceń kształtu (i ruchu ciekłego metalu w kierunku przeciwelektrody) należy zastosować > 1 V. 
		Uwaga: Stężenie roztworu i odległość kropli od przeciwelektrody dyktują napięcie niezbędne do wywołania zmian napięcia międzyfazowego, ponieważ szybkość elektrochemicznego utleniania powierzchni konkuruje z szybkością rozpuszczania tlenku przez elektrolit.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>redukcja
	<ol>
		<li>Dozować kroplę (10-500 μl) ciekłego metalu ze strzykawki do pustej szalki Petriego.</li>
		<li>Wlać obojętny wodny elektrolit do szalki Petriego (np. 1 M fluorku sodu (NaF) lub 1 M chlorku sodu (NaCl)) do poziomu, który zanurzy metal. 
		Uwaga: Użycie roztworu kwaśnego (pH < 3) lub zasadowego (pH > 10) spowoduje samoistne rozpuszczenie tlenku.</li>
		<li>Umieść drut miedziany w ciekłym metalu, aby działał jako elektroda robocza, a drut przewodzący (np. Miedź) w elektrolicie, aby działał jako przeciwelektroda.</li>
		<li>Podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż ujemny potencjał do ciekłego metalu. Zastosuj około -1 V, aby usunąć tlenek powierzchniowy i spowodować odwilżenie metalu z podłoża. Metal powinien zostać odwilżony po stronie najbliższej przeciwelektrodzie.</li>
		<li>Zastosuj więcej ujemnych potencjałów (<-1 V), aby całkowicie usunąć warstwę tlenku. Unikaj stosowania zbyt dużych napięć ujemnych, aby zapobiec pojawianiu się pęcherzyków wodoru na ciekłym metalu w wyniku zmniejszenia stężenia elektrolitu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Pomiar napięcia powierzchniowego za pomocą kropli siedzącej
<ol>
	<li>Za pomocą wycinarki laserowej lub narzędzia do frezowania wytnij bezpośrednią ścieżkę od środka do krawędzi kawałka polimetakrylanu metylu (PMMA) (o grubości ~1 mm). Nie przecinaj ścieżki przez całą grubość PMMA; Przeciąć tylko mniej więcej w połowie. Ten kawałek posłuży jako podłoże dla ciekłego metalu. Jako podłoże mogą również służyć inne płaskie i elektroizolacyjne materiały, takie jak szkło, ceramika lub polimery.</li>
	<li>Tym samym narzędziem wytnij otwór o średnicy 1 mm2 w środku PMMA.</li>
	<li>Używając ścieżki jako przewodnika, poprowadź izolowany drut miedziany tak, aby tylko końcówka była wystawiona na środek PMMA. Ustaw drut tak, aby wystawał ponad powierzchnię PMMA. Uszczelnij drut na miejscu za pomocą szczelnego kleju. Przetnij drut tuż nad powierzchnią PMMA, ale nie pozwól, aby wystawał zbyt daleko (poza ~100 μm), ponieważ zaburzy to kształt kropli.</li>
	<li>Przyklej kawałek PMMA do przezroczystego pojemnika, przez który można uzyskać wyraźny obraz. Napełnij pojemnik 1 M NaOH i umieść kroplę 25-50 μl ciekłego metalu na wystającym drucie miedzianym. Ten drut będzie służył jako elektroda robocza i zwilży kroplę.</li>
	<li>Umieścić przeciwelektrodę z siatki platynowej i elektrodę odniesienia nasyconego srebra/chlorku srebra (Ag/AgCl) w roztworze. Podłącz wszystkie elektrody do potencjostatu.</li>
	<li>Umieść pojemnik w goniometrze kąta zwilżania tak, aby profil powierzchni kropli był wyraźnie widoczny. Użyj potencjostatu, aby kontrolować napięcie w stosunku do elektrody odniesienia i użyj goniometru, aby zmierzyć kształt, a tym samym napięcie międzyfazowe kropli. Upewnij się, że goniometr jest w stanie zmierzyć napięcie międzyfazowe kropli siedzącej; Możliwe jest również użycie niestandardowej analizy kształtu osiowosymetrycznego obrazów upuszczania wykonanych z kamery zamontowanej poziomo 25.</li>
</ol>
3. Iniekcja kapilarna
<ol>
	<li>Wypełnić szklaną kapilarnę roztworem 1 M NaOH. Średnica kapilary powinna wynosić ~1 mm.</li>
	<li>Umieść jeden koniec kapilary równo z kroplą ciekłego metalu. Ustaw kapilarnę tak, aby była równoległa do powierzchni stołu (tj. prostopadła do grawitacji). Unikaj szczelin powietrznych między kroplą ciekłego metalu a kapilarą wypełnioną elektrolitem. Za pomocą wycieraczki zetrzyj nadmiar elektrolitu, który mógł wycieknąć podczas montażu.</li>
	<li>Umieść drut miedziany (elektrodę roboczą) w ciekłym metalu, a przewodzącą przeciwelektrodę (np. drut miedziany) w otwartym końcu kapilary tak, aby stykała się z roztworem.</li>
	<li>Podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż dodatni potencjał do ciekłego metalu. Ciekły metal powinien zacząć wypełniać kapilarnę (należy unikać dużych potencjałów, które spowodują nadmierne tworzenie się pęcherzyków na przeciwelektrodzie).</li>
</ol>
4. Wycofanie kapilarne
<ol>
	<li>Wykorzystaj techniki miękkiej litografii26 i formowania replik do wytwarzania kanałów mikroprzepływowych składających się z polidimetylosiloksanu (PDMS). Wytwarzaj kanały o szerokości około 100 do 1 000 μm, wysokości 100 μm i długości od 25 do 65 mm. 
	Uwaga: Wymiary kanału 1 000 μm szerokości, 100 μm wysokości i 65 mm długości kanału dawały spójne wyniki, ale inne mogą również działać. Alternatywnie zamiast mikrokanalików PDMS należy zastosować kapilary szklane (np. o średnicy 1 mm, szkło borokrzemowe).</li>
	<li>Wstrzyknąć ciekły metal ręcznie lub za pomocą pompy strzykawkowej, aby całkowicie napełnić kanał (tj. 6,5 mm3 dla kanału o szerokości 1 000 μm, wysokości 100 μm i długości 65 mm).</li>
	<li>Za pomocą bawełnianego wacika, który został zanurzony w 1 M NaOH lub 1 M HCl, usuń nadmiar ciekłego metalu z wlotu (i, jeśli to konieczne, wylotu) kanału, tak aby metal pozostał równo z górną powierzchnią PDMS.</li>
	<li>Zanurz jeden koniec kanału w elektrolicie (np. 1 M NaCl) i umieść anodę (np. druty miedziane, platynowe lub wolframowe) tak, aby dotykała elektrolitu, ale nie metalu.</li>
	<li>Na drugim końcu kanału przymocuj oddzielną elektrodę (np. drut Cu) do powierzchni metalu, tak aby ciekły metal sam działał jak katoda.</li>
	<li>Podłącz te przewody (tj. anodę i katodę) do źródła napięcia lub potencjostatu i zakończ obwód elektryczny. W przypadku systemu z trzema elektrodami należy umieścić elektrodę odniesienia tak, aby ledwo zanurzała się w kropli elektrolitu.</li>
	<li>Przed zastosowaniem napięcia redukcyjnego zamontuj kamerę wideo na statywie lub w mikroskopie, aby zarejestrować eksperymenty. Użyj trybu autofokusa, aby wszystko było ostre. Wykorzystaj ręczne ustawianie ostrości, aby mieć lepszą kontrolę nad głębią ostrości, balansem bieli i ISO. W razie potrzeby użyj wyższego stopnia przysłony (tj. 11 lub wyższej),migawki 1/100, automatycznego balansu bieli i automatycznej czułości ISO.</li>
	<li>Rozpocznij nagrywanie eksperymentu. Zastosuj około -1 V, aby usunąć ciekły metal z mikrokanalików. Wyłącz napięcie, aby metal przestał się poruszać w neutralnym elektrolicie.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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 manipulowania kształtem, położeniem i przepływem cieczy w skalach długości poniżej mm. Najczęstszym sposobem zmiany napięcia powierzchniowego między dwoma płynami jest użycie środka powierzchniowo czynnego, który jest cząsteczką rozciągającą się na granicy między płynami. Surfaktanty obniżają napięcie powierzchniowe, ale w sposób, który nie jest łatwy do odwrócenia, ponieważ trudno jest usunąć środki powierzchniowo czynne z granicy faz. Napięcie powierzchniowe można również zmieniać za pomocą różnych technik, w tym gradientów temperatury2,3, światła4, chemii powierzchni 5-7 i napięcia8. Jednak większość z tych metod powoduje niewielkie zmiany napięcia powierzchniowego, szczególnie w przypadku ciekłych metali, które mają szczególnie duże napięcia powierzchniowe.
Możliwość kontrolowania napięcia powierzchniowego ciekłego metalu może otworzyć nowe możliwości tworzenia rekonfigurowalnych struktur o metalicznych właściwościach dla zastosowań elektronicznych, termicznych i optycznych 9-14. Najczęstszym ciekłym metalem jest Hg, który jest znany ze swojej toksyczności. Opisane tutaj metody są odpowiednie dla ciekłych metali na bazie galu. Metale te mają niską lepkość, duże napięcie powierzchniowe, niską lotność (niska prężność pary) i niską toksyczność15. Co ważne, metale te tworzą tlenki powierzchniowe złożone z tlenku galu o grubości kilku nm w powietrzu16. Ta warstwa tlenku tworzy fizyczną powłokę, która historycznie była uciążliwa w zastosowaniach elektrochemicznych i dynamicznych płynów17. Metoda ta wykorzystuje tlenek w nowy sposób do kontrolowania napięcia powierzchniowego.
Najczęstszym sposobem manipulowania ciekłymi metalami w elektrolicie jest przyłożenie potencjału do metalu względem przeciwelektrody18. Przeciwnie naładowane jony z elektrolitu dopasowują się do ładunków na metalu, powodując spadek napięcia międzyfazowego. Zjawisko to - określane jako elektrokapilarność - jest znane od 1870 roku, jak opisał Lippman19i było wykorzystywane do stopów galu20. Zazwyczaj elektrokapilarność osiąga niewielkie zmiany napięcia powierzchniowego, ponieważ niepożądane reakcje elektrochemiczne ograniczają zakres napięć przyłożonych do metalu. W przeciwieństwie do tego, opisana tutaj metoda wykorzystuje utlenianie powierzchniowe metalu (lub odwrotnie, redukcję tlenku powierzchniowego) jako sposób na osiągnięcie ogromnych zmian napięcia powierzchniowego poza zmianami wynikającymi z elektrokapilarności. Głównym wyjaśnieniem tego zjawiska jest to, że tlenek jest asymetryczny; Oznacza to, że zewnętrzna powierzchnia tlenku kończy się grupami hydroksylowymi (tworząc interfejs o niskim napięciu międzyfazowym z wodnym elektrolitem), a wewnętrzna powierzchnia tlenku kończy się atomami galu (tworząc interfejs o niskim napięciu międzyfazowym z metalem). W przeciwieństwie do tego, usunięcie tlenku poprzez redukcję elektrochemiczną powoduje powstanie czystej granicy faz metal-elektrolit, która przywraca metal z powrotem do stanu wysokiego napięcia powierzchniowego. Charakteryzujemy napięcie międzyfazowe metalu, analizując kształt kropel siedzących w funkcji napięcia, przy założeniu, że grawitacja i napięcie powierzchniowe są dominującymi siłami określającymi krzywiznę jego powierzchni. 
Zaletą tej techniki w stosunku do klasycznej elektrokapilarności jest to, że może ona odwracalnie dostroić napięcie ciekłych metali o niskiej toksyczności w ogromnych zakresach (od ~500 mN/m do prawie zera). Ta zmiana napięcia powierzchniowego delta może być największą, jaką kiedykolwiek opisano w literaturze dla jakiegokolwiek płynu i może być osiągnięta w sposób przestrajalny i odwracalny. Te duże zmiany napięcia powierzchniowego są przydatne do manipulowania kapilarnym zachowaniem metali; na przykład może skłonić metal do rozprzestrzeniania się na powierzchni, wycofać metal z mikrokanałów, wypełnić mikrokanaliki metalem i przezwyciężyć niestabilności Rayleigha, tworząc włókna ciekłego metalu1,21. 
Wadą tej techniki jest to, że wymaga elektrolitu. Najlepiej sprawdza się w warunkach kwaśnych lub zasadowych, ponieważ elektrolity te usuwają nadmiar tlenku powierzchniowego, który w przeciwnym razie zanieczyściłby powierzchnię metalu i mechanicznie ograniczył ruch metalu. Równoczesne usuwanie i osadzanie warstwy tlenkowej komplikuje analizę zjawisk międzyfazowych i mamy nadzieję, że metody opisane w tym artykule umożliwią dodatkową analizę. Kolejną wadą jest to, że reakcjom elektrochemicznym zachodzącym na powierzchni metalu muszą towarzyszyć komplementarne półreakcje na przeciwelektrodzie22,23. Może to prowadzić do tworzenia się pęcherzyków wodoru na przeciwelektrodzie.

<table><tbody><tr><td>Eutektyczny Gal Indium</td><td>Indium Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Fisher Scientific</td><td>2318-3</td><td></td></tr><tr><td>Kwas solny</td><td>Fisher Scientific</td><td>A481-212</td><td></td></tr><tr><td>Fluorek sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>201154</td><td></td></tr><tr><td>Klej optyczny</td><td>Norland</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>Polidimetylosiloksan ( Sylgard-184)</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>Zestaw elastomerów silikonowych</td></tr><tr><td>Kapilary ze szkła borokrzemianowego</td><td>Friedrich and Dimmoch</td><td>B41972</td><td></td></tr><tr><td>Ag/AgCl Elektrody referencyjne</td><td>Mikroelektrody Inc.</td><td>MI-401F</td><td></td></tr><tr><td>Źródło napięcia</td><td>Keithley</td><td>3390</td><td></td></tr><tr><td>Potencjostat</td><td>Gamry</td><td>Ref 600</td><td></td></tr><tr><td>Wycinarka laserowa</td><td>Uniwersalne systemy</td><td>laserowe VLS 3.50</td><td></td></tr></tbody></table>

metoda manipulowania napięciem powierzchniowym ciekłego metalu poprzez utlenianie i redukcję powierzchni

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

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.

Rysunek 1A przedstawia przykład prostej techniki dwuelektrodowej do utleniania i redukcji. W tym przypadku kropla 70 µl ciekłego metalu umieszczona w roztworze 1 M NaOH styka się z miedzianym drutem, aby ustanowić połączenie elektryczne. 1 M NaOH usuwa tlenek powierzchniowy z metalu i pozwala metalowi skupić się w kroplę dzięki jego napięciu powierzchniowemu. Przyłożenie potencjału 2,5 V między kroplą a platynową elektrodą pomocniczą...

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.

Metoda manipulowania napięciem powierzchniowym ciekłego metalu poprzez utlenianie i redukcję powierzchni

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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zademonstrowanie manipulacji metalem ciekłym pod wpływem potencjałów elektrochemicznych. Metoda ta pozwala na regulację napięcia powierzchniowego metalu ciekłego w bardzo szerokim zakresie, jednocześnie wyjaśniając rolę tlenków w określaniu tego napięcia. Główną zaletą tej techniki jest jej prostota, odwracalność oraz fakt, że wymaga ona jedynie bardzo niewielkich potencjałów.Ten element był wykorzystywany do tworzenia rekonfigurowalnych urządzeń elektronicznych, składających się niemal w całości z To w celu przeprowadzenia utleniania, wlej wodny elektrolit do szalki Petriego. Użyj takiej objętości, aby wypełnić szalkę do głębokości około jednego do trzech milimetrów. Za pomocą strzykawki umieść kroplę stopu na bazie galu w elektrolicie.W tym przypadku zastosowano eutektyczny gal i ind. Należy umieścić drut miedziany o średnicy mniejszej niż średnica kropli w ciekłym metalu, aby utworzyć elektrodę roboczą. W środowisku kwasowym lub zasadowym ciekły metal zwilży miedź, tworząc tym samym doskonały kontakt elektryczny.Umieść przewodzącą elektrodę przeciwległą w roztworze, dbając o to, aby nie stykała się ona z ciekłym metalem. Jeśli elektroda przeciwległa ma rezystancję mniejszą niż 1 ohm, jej wymiary nie mają znaczenia. Następnie podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż potencjał dodatni do ciekłego metalu.W celu uzyskania niewielkiej deformacji kształtu należy przyłożyć dodatnie napięcie mniejsze niż 1 V. Aby uzyskać większą deformację kształtu, należy przyłożyć napięcie przekraczające 1 V. W celu przeprowadzenia redukcji należy nanieść kroplę ciekłego metalu za pomocą strzykawki do pustej szalki Petriego.Następnie wlej do szalki Petriego neutralny elektrolit wodny do poziomu, który całkowicie przykryje metal. Umieść miedziany drut w ciekłym metalu, aby pełnił funkcję elektrody roboczej, a drut przewodzący w elektrolicie, aby pełnił funkcję przeciwelektrody. Podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż potencjał ujemny do ciekłego metalu.Przyłożone napięcie o wartości około minus jednego wolta usunie tlenek powierzchniowy i spowoduje odklejenie się metalu od podłoża. Metal powinien odkleić się w pierwszej kolejności po stronie najbliższej elektrody przeciwnej. W celu całkowitego usunięcia warstwy tlenków należy przyłożyć bardziej ujemne potencjały.Należy unikać przykładania zbyt wysokich napięć ujemnych, aby zapobiec powstawaniu pęcherzyków wodoru na powierzchni ciekłego metalu w wyniku redukcji elektrolitu. Używając wycinarki laserowej lub narzędzia frezującego, należy wyciąć bezpośrednią ścieżkę od środka do krawędzi kawałka polimetakrylanu metylu (PMMA). Nie należy przecinać ścieżki na całą grubość PMMA.Element ten będzie służył jako podłoże dla ciekłego metalu. Za pomocą tego samego narzędzia wytnij otwór o boku jednego milimetra kwadratowego w centrum PMMA. Korzystając z wyznaczonej ścieżki jako prowadnicy, wprowadź do centrum PMMA izolowany drut miedziany z odsłoniętym jedynie końcem.Ustaw drut tak, aby wystawał ponad powierzchnię PMMA. Przymocuj drut w tym miejscu za pomocą szczelnego kleju. Odetnij drut tuż nad powierzchnią PMMA, dbając jednak, aby nie wystawał zbyt daleko, gdyż mogłoby to zakłócić kształt kropli.Przymocuj fragment PMMA taśmą do przezroczystego pojemnika, który umożliwia uzyskanie wyraźnego obrazu. Umieść pojemnik w goniometrze do pomiaru kąta zwilżania w taki sposób, aby profil powierzchni kropli był wyraźnie widoczny. Napełnij pojemnik jednomolowym roztworem wodorotlenku sodu.Następnie nanieś kroplę ciekłego metalu o objętości od 25 do 50 µL na wystający drut miedziany. Drut ten będzie pełnił funkcję elektrody roboczej i spowoduje zwilżenie kropli. Podłącz wszystkie elektrody do potencjostatu.Następnie umieść w roztworze platynową siatkę jako elektrodę przeciwльную oraz nasyconą elektrodę odniesienia srebro/chlorek srebra. Użyj potencjostatu do kontroli napięcia względem elektrody odniesienia oraz goniometru do pomiaru kształtu, a tym samym napięcia międzyfazowego kropli. Upewnij się, że goniometr umożliwia pomiar napięcia międzyfazowego kropli osiadłej.Napełnij szklaną kapilarę roztworem jednomolowego wodorotlenku sodu. Średnica kapilary powinna wynosić około jednego milimetra. Przyłóż jeden koniec kapilary bezpośrednio do kropli ciekłego metalu.Ustaw kapilarę tak, aby była równoległa do powierzchni stołu. Unikaj powstawania pęcherzyków powietrza między kroplą ciekłego metalu a wypełnioną elektrolitem kapilarą. Za pomocą chusteczki usuń nadmiar elektrolitu, który mógł wycieknąć podczas montażu.Umieść miedziany drut w metalu ciekłym oraz przewodzącą przeciwelektrodę w otwartym końcu kapilary w taki sposób, aby stykała się ona z roztworem. Połącz przewody z źródłem napięcia i przyłóż potencjał dodatni do metalu ciekłego. Metal ciekły powinien zacząć wypełniać kapilarę.Wykorzystaj techniki miękkiej litografii i formowania replikacyjnego do wykonania kanałów mikroprzepływowych z polidimetylosiloksanu (PDMS). Wykonaj kanały o szerokości od około 100 do 1 000 µm, wysokości 100 µm i długości od 25 do 65 mm. Wprowadź ciekły metal ręcznie lub za pomocą pompy strzykawkowej, aby całkowicie wypełnić kanał.Używając patyczka higienicznego nasączonego jednomolowym wodorotlenkiem sodu lub jednomolowym chlorkiem wodoru, usuń nadmiar ciekłego metalu z wlotu kanału w taki sposób, aby metal pozostawał w jednej płaszczyźnie z górną powierzchnią PDMS. Zanurz jeden koniec kanału w elektrolicie i umieść anodę tak, aby dotykała ona elektrolitu, ale nie metalu. Na drugim końcu kanału dotknij osobną elektrodą powierzchni metalu, tak aby sam ciekły metal pełnił funkcję katody.Podłącz te przewody do źródła napięcia i zamknij obwód elektryczny. W przypadku układu trójelektrodowego umieść elektrodę odniesienia tak, aby była ledwie zanurzona w kropli elektrolitu. Przed przyłożeniem napięcia redukującego zamontuj kamerę wideo na statywie lub w mikroskopie, aby zarejestrować przebieg eksperymentów.Użyj trybu autofokusa, aby uzyskać ostrość całego obrazu. Skorzystaj z manualnego ustawiania ostrości, aby uzyskać lepszą kontrolę nad głębią ostrości, balansem bieli i wartością ISO. W razie potrzeby zastosuj wyższą wartość przysłony f, czas naświetlania 1/100 s, automatyczny balans bieli oraz automatyczne ISO.Rozpocznij nagrywanie eksperymentu. Przyłóż napięcie wynoszące około minus jeden wolt, aby wycofać ciekły metal z mikrokanałów. Wyłącz napięcie, aby zatrzymać ruch metalu w obojętnym elektrolicie.Przedstawiono tutaj nagranie goniometryczne rozprzestrzeniania się ciekłego metalu pod wpływem potencjału elektrochemicznego. Zmniejszenie wysokości oznacza bardziej utleniający potencjał. Napięcie międzyfazowe można wyznaczyć na podstawie krzywizny kropli.Obszar po lewej stronie linii przerywanej, w którym warstwa tlenku nie występuje, wykazuje typowe zachowanie elektrokapilarne. Jednakże, w obecności warstwy tlenku, napięcie międzyfazowe gwałtownie spada, a następnie maleje jeszcze bardziej wraz z przyłożeniem większych napięć. Przyłożenie potencjału redukcyjnego do metalu usuwa tlenek i powoduje jego wycofanie się z mikrokanałów.Wykres ten przedstawia profil prędkości wycofywania kapilarnego przy stałym napięciu. W miarę zastępowania ciekłego metalu elektrolitem opór elektryczny w mikrokanale wzrasta, co powoduje spadek prędkości w czasie. Po opanowaniu ta technika może zostać wykonana w ciągu kilku minut i powinna umożliwić naukowcom oraz inżynierom dalsze badanie tego unikalnego zjawiska.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Prędkość ultradźwiękowa jest używana do badania mieszania przez przepływ płynu w elektrodach z ciekłego metalu. Celem tego manuskryptu jest zilustrowanie metod stosowanych do wykonywania precyzyjnych, przestrzennie rozdzielczych pomiarów ultradźwiękowych przy jednoczesnym ograniczaniu utleniania oraz kontrolowaniu i monitorowaniu temperatury, przyłożonego prądu i mocy dostarczanej grzałki.

Ultradźwiękowy pomiar prędkości w elektrodzie z ciekłego metalu

Tutaj prezentujemy protokół syntezy heterozłączy Zn1-xMgxO/Cu2O na wolnym powietrzu w niskiej temperaturze za pomocą przestrzennego osadzania warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-SALD) Zn1-xMgxO na tlenku miedzi. Tak wysokiej jakości tlenki metali konforemnych mogą być hodowane na różnych podłożach, w tym na tworzywach sztucznych, za pomocą tej taniej i skalowalnej metody.

Poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie Cu2O poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego Przestrzenna warstwa atomowa osadzona Zn1-xMgxO

Śliskie powierzchnie to nowy sposób na rozwiązanie problemu z przyczepnością. Protokół ten opisuje, jak wytwarzać śliskie powierzchnie w wysokich temperaturach. Wyniki pokazują, że śliskie powierzchnie wykazywały ochronę przed zamoczeniem cieczy i niezwykłe działanie przeciwadhezyjne na tkanki miękkie w wysokich temperaturach.

Przygotowanie i antyadhezja w wysokiej temperaturze śliskiej powierzchni na stali nierdzewnej

Kolumnowe struktury tlenku w postaci prętów są syntetyzowane przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane aerozolem bez użycia wstępnie osadzonych cząstek katalizatora. Metoda ta jest skalowalna i kompatybilna z różnymi podłożami na bazie krzemu, kwarcu lub polimerów.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej struktur tlenków metali wspomagane aerozolem: pręty z tlenku

Przedstawiono protokół wytwarzania nanoporowatych anodowych tlenków glinu poprzez jednoczesną anodowanie wielu powierzchni, po której następują odwrócone odchylenia podobne do schodów. Może być wielokrotnie nakładany na to samo podłoże aluminiowe, wykazując łatwą, wysokowydajną i czystą dla środowiska strategię.

Jednoczesne anodowanie wielopowierzchniowe i schodowe odchylenia odwrotne Anodowe tlenki glinu w elektrolicie kwasu siarkowego i szczawiowego

Wytwarzamy heterostruktury metal/LaAlO3/SrTiO3 za pomocą kombinacji pulsacyjnego osadzania laserowego i napylania magnetronowego in situ. Poprzez eksperymenty magnetotransportu i spektroskopii rentgenowskiej fotoelektronów in situ badamy wzajemne oddziaływanie między zjawiskami elektrostatycznymi i chemicznymi quasi-dwuwymiarowego gazu elektronowego powstającego w tym układzie.

Wzrost i właściwości elektrostatyczne/chemiczne heterostruktur metali/LaAlO3/SrTiO3

Ilustrujemy kilka metodologii produkcji superhydrofobowych powierzchni metalowych oraz badania ich trwałości i właściwości przeciwoblodzeniowych.

Wytwarzanie superhydrofobowych powierzchni metalowych do zastosowań przeciwoblodzeniowych

Prezentowana jest prosta metoda wytwarzania nano-mikro wieloskalowych struktur dla funkcjonalnych powierzchni, poprzez agregację nanowłókien wytworzonych za pomocą anodowego filtra z tlenku glinu.

Wieloskalowe struktury agregowane za pomocą nadrukowanych nanowłókien dla powierzchni funkcjonalnych

Materiały tlenkowe wykazują wiele egzotycznych właściwości, które można kontrolować, dostrajając zawartość tlenu. W tym miejscu demonstrujemy dostrajanie zawartości tlenu w tlenkach poprzez zmianę parametrów osadzania laserowego impulsowego oraz poprzez wykonywanie wyżarzania końcowego. Na przykład właściwości elektroniczne heterostruktur opartych na SrTiO3 są dostrajane przez modyfikacje wzrostu i wyżarzanie.

Dostrajanie właściwości tlenków poprzez kontrolę pustego miejsca tlenu podczas wzrostu i wyżarzania

Przedstawiono metodę syntezy pozwalającą na otrzymanie porowatych makrorurek i makrowiązek na bazie platyny o przekroju kwadratowym poprzez chemiczną redukcję nierozpuszczalnych matryc solnych.

Metoda syntezy z szablonami soli dla porowatych makrowiązek i makrorurek na bazie platyny

Poznaj metodę elektrochemicznej manipulacji napięciem powierzchniowym ciekłych metali poprzez kontrolowane utlenianie i redukcję warstwy tlenkowej. Technika ta umożliwia odwracalne sterowanie zachowaniem kapilarnym przy niskich napięciach.

Metoda manipulowania napięciem powierzchniowym ciekłego metalu poprzez utlenianie i redukcję powierzchni

Przeglądaj więcej filmów