Metoda manipulowania napięciem powierzchniowym ciekłego metalu poprzez utlenianie i redukcję powierzchni

Ogólnym celem tej procedury jest wykazanie manipulacji ciekłym metalem pod wpływem potencjałów elektrochemicznych. Metoda ta dostraja napięcie międzyfazowe ciekłego metalu w ogromnym zakresie, jednocześnie wyjaśniając rolę tlenków w napięciu międzyfazowym. Główną atrakcją tej techniki jest to, że jest prosta, odwracalna i wymaga jedynie bardzo skromnych potencjałów.

Ta rzecz została wykorzystana do produkcji urządzeń elektronicznych, które są rekonfigurowalne i składają się prawie wyłącznie z Aby przeprowadzić utlenianie, wlej wodny elektrolit do szalki Petriego. Użyj objętości, która wypełni naczynie na głębokość około jednego do trzech milimetrów. Użyj strzykawki, aby umieścić kroplę stopu na bazie galu w elektrolicie.

Tutaj stosuje się eutektyczny gal indu. Umieść drut miedziany o średnicy mniejszej niż średnica kropli w ciekłym metalu, aby ustalić elektrodę roboczą. W kwasie lub zasadzie ciekły metal zwilży miedź, a tym samym utworzy doskonały kontakt elektryczny.

Umieść przewodzącą przeciwelektrodę w roztworze, ale nie w kontakcie z ciekłym metalem. Jeśli przeciwelektroda ma rezystancję mniejszą niż jeden om, jej wymiary nie mają znaczenia. Następnie podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż dodatni potencjał do ciekłego metalu.

W przypadku małych odkształceń kształtu należy zastosować napięcia dodatnie mniejsze niż jeden wolt. W przypadku większych odkształceń kształtu należy zastosować napięcie większe niż jeden wolt. Aby przeprowadzić redukcję, należy wlać kroplę ciekłego metalu ze strzykawki do pustej szalki Petriego.

Następnie wlej obojętny wodny elektrolit do szalki Petriego do poziomu, który zanurzy metal. Umieść drut miedziany w ciekłym metalu, aby działał jako elektroda robocza, i umieść drut przewodzący w elektrolicie, aby działał jako przeciwelektroda. Podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż ujemny potencjał do ciekłego metalu.

Zastosuj około minus jeden wolt, aby usunąć tlenek powierzchniowy i spowodować odwilżenie metalu z podłoża. Metal należy najpierw zwilżyć po stronie znajdującej się najbliżej przeciwelektrody. Zastosuj więcej ujemnych potencjałów, 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. Za pomocą wycinarki laserowej lub narzędzia do frezowania wytnij bezpośrednią ścieżkę od środka do krawędzi kawałka polimetakrylanu metylu lub PMMA. Nie przecinaj ścieżki przez całą grubość PMMA.

Ten kawałek posłuży jako podłoże dla ciekłego metalu. Za pomocą tego samego narzędzia wytnij otwór o średnicy jednego milimetra kwadratowego w środku PMMA. Używając ścieżki jako przewodnika, poprowadź izolowany drut miedziany tak, aby odsłonięta była tylko końcówka, do środka 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, ponieważ zakłóci to kształt kropli.

Przyklej kawałek PMMA do przezroczystego pojemnika, przez który można uzyskać wyraźny obraz. Umieść pojemnik w goniometrze kąta zwilżania tak, aby profil powierzchni kropli był wyraźnie widoczny. Napełnij pojemnik jednym molowym wodorotlenkiem sodu.

Następnie umieść kroplę ciekłego metalu o pojemności od 25 do 50 mikrolitrów na wystającym drucie miedzianym. Ten drut będzie służył jako elektroda robocza i zwilży kroplę. Podłącz wszystkie elektrody do potencjostatu.

Następnie umieść w roztworze przeciwelektrodę z siatki platynowej i elektrodę referencyjną nasyconego chlorku srebra i srebra. 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 z kroplą siedzącą.

Napełnij szklaną kapilarnę roztworem jednego molowego wodorotlenku sodu. Średnica kapilary powinna wynosić około jednego milimetra. Umieść jeden koniec kapilary równo z kroplą ciekłego metalu.

Wyrównaj kapilarę tak, aby była równoległa do powierzchni stołu. Unikaj szczelin powietrznych między kroplą ciekłego metalu a kapilarą wypełnioną elektrolitem. Za pomocą wycieraczki zetrzyj nadmiar elektrolitu, który mógł wycieknąć podczas montażu.

Umieść drut miedziany w ciekłym metalu, a przewodzącą przeciwelektrodę w otwartym końcu kapilary tak, aby stykała się z roztworem. Podłącz przewody do źródła napięcia i przyłóż dodatni potencjał do ciekłego metalu. Ciekły metal powinien zacząć wypełniać kapilarę.

Wykorzystaj techniki miękkiej litografii i formowania replik, aby wytworzyć kanały mikroprzepływowe złożone z polidimetylosiloksanu lub PDMS. Wytwarzaj kanały o szerokości około 100 do 1 000 mikronów, wysokości 100 mikronów i długości od 25 do 65 milimetrów. Wstrzyknąć ciekły metal ręcznie lub za pomocą pompy strzykawkowej, aby całkowicie napełnić kanał.

Za pomocą bawełnianego wacika, który został zanurzony w jednym molowym wodorotlenku sodu lub jednym molowym chlorowodorze wodoru, usuń nadmiar ciekłego metalu z wlotu kanału, tak aby metal pozostał równo z górną powierzchnią PDMS. Zanurz jeden koniec kanału w elektrolicie i umieść anodę tak, aby dotykała elektrolitu, ale nie metalu. Na drugim końcu kanału przyłóż oddzielną elektrodę do powierzchni metalu, tak aby ciekły metal sam działał jak katoda.

Podłącz te przewody do źródła napięcia i zakończ obwód elektryczny. W przypadku systemu trzyelektrodowego należy umieścić elektrodę odniesienia w taki sposób, aby ledwo zanurzała się w kropli elektrolitu. Przed zastosowaniem napięcia redukcyjnego zamontuj kamerę wideo na statywie lub w mikroskopie, aby zarejestrować eksperymenty.

Użyj trybu automatycznego ustawiania ostrości, aby wszystko było ostre. Skorzystaj z ręcznego ustawiania ostrości, aby mieć lepszą kontrolę nad głębią ostrości, balansem bieli i czułością ISO. W razie potrzeby użyj wyższej wartości przysłony, czasu otwarcia migawki jednej setnej sekundy, automatycznego balansu bieli i automatycznej czułości ISO.

Rozpocznij nagrywanie eksperymentu. Zastosuj około minus jeden wolt, aby usunąć ciekły metal z mikrokanałów. Wyłącz napięcie, aby metal przestał się poruszać w neutralnym elektrolicie.

Pokazany tutaj jest film z goniometru przedstawiający ciekły metal rozprzestrzeniający się pod wpływem potencjału elektrochemicznego. Zmniejszenie wysokości oznacza większy potencjał oksydacyjny. Napięcie międzyfazowe można określić na podstawie krzywizny kropli.

Obszar na lewo od przerywanej linii, w którym nie ma warstwy tlenku, wykazuje typowe zachowanie elektrokapilarne. Jednakże, gdy obecna jest warstwa tlenku, napięcie międzyfazowe wykazuje gwałtowny spadek, który dodatkowo maleje wraz z przyłożeniem większych napięć. Zastosowanie potencjału redukującego do metalu usuwa tlenek i powoduje jego wycofanie się z mikrokanałów.

Ten wykres przedstawia profil prędkości wycofania kapilarnego przy stałym napięciu. Gdy ciekły metal jest zastępowany elektrolitem, opór elektryczny w mikrokanaliku wzrasta, powodując spadek prędkości w czasie. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu kilku minut i powinna ona pozwolić naukowcom i inżynierom na dalsze badania tego wyjątkowego zjawiska.