Artigo de método

Um Método para Manipular a Tensão Superficial de um Metal Líquido via Oxidação e Redução Superficial

DOI:

10.3791/53567

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26 de janeiro de 2016

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

* These authors contributed equally

Neste artigo

Resumo

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Apresentamos um método para controlar a energia interfacial de um metal líquido em um eletrólito por meio de deposição eletroquímica (ou remoção) de uma camada superficial de óxido. Este método simples pode controlar o comportamento capilar de metais líquidos à base de gálio, ajustando a energia interfacial de forma rápida, significativa e reversível usando tensões modestas.

Resumo

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Controlando a tensão interfacial é um método eficaz para a manipulação da forma, posição, e o fluxo de fluidos em escalas de comprimento sub-milimétrica, onde a tensão interfacial é uma força dominante. Uma variedade de métodos existentes para controlar a tensão interfacial de líquidos aquosos e orgânicos nesta escala; No entanto, estas técnicas têm limitada utilidade para metais líquidos devido à sua grande tensão interfacial.

Metais líquidos podem formar componentes macios, elásticos, e forma-reconfigurável em dispositivos eletrônicos e eletromagnéticos. Embora seja possível manipular esses fluidos através de métodos mecânicos (por exemplo, de bombeamento), métodos elétricos são mais fáceis de miniaturizar, controle e implementar. No entanto, a maioria das técnicas elétricas têm suas próprias limitações: electrowetting-on-dielétrico requer grandes (kV) potenciais de atuação modesta, electrocapillarity podem afetar mudanças relativamente pequenas na tensão interfacial, e ELE contínuactrowetting está limitada a fichas do metal líquido nos capilares.

Aqui, apresentamos um método para accionar gálio e ligas de metal líquido à base de gálio através de uma reação de superfície eletroquímica. Controlando o potencial electroquímico da superfície do metal líquido no electrólito e rapidamente reversível muda a tensão interfacial por mais de duas ordens de magnitude (̴500 mN / m para perto de zero). Além disso, este método requer apenas um potencial muito modesto (<V 1) aplicada em relação a um contra-eléctrodo. A alteração resultante da tensão é devido principalmente à deposição electroquímica de uma camada de óxido de superfície, que actua como um tensioactivo; remoção do óxido aumenta a tensão interfacial, e vice-versa. Esta técnica pode ser aplicada numa grande variedade de electrólitos e é independente do substrato sobre o qual repousa.

Introdução

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Este método fornece uma maneira simples de controlar a tensão superficial de metais líquidos contendo gálio. O método usa tensões modestas (~ 1 V) aplicadas diretamente ao metal líquido (em relação a um contra-eletrodo na presença de eletrólito) para obter mudanças enormes e reversíveis na tensão superficial do metal1.

A tensão superficial é uma força dominante para líquidos em pequenas escalas de comprimento e é importante para uma série de fenômenos capilares, incluindo umedecimento, espalhamento e fluxo impulsionado por tensão superficial. Consequentemente, a capacidade de controlar a tensão superficial é uma maneira sensata ....

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Protocolo

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1. A manipulação da tensão interfacial de Liquid Metal em Electrolyte

  1. Oxidação
    1. Pour um electrólito aquoso (ácido ou básico) em uma placa de Petri. Para assegurar que o óxido é completamente removido, utilizar um ácido ou base com uma concentração superior a 0,1 M 24 (por exemplo, NaOH 1 M ou HCl a 1 M). Utilizar um volume que vai encher o prato, até uma profundidade de cerca de 1-3 mm. Evitar o contacto da pele com estas soluções.
    2. Utilize uma seringa para colocar uma gota (optimamente entre 10-500 ul) de uma liga à base de gálio no electrólito. Exemplos incluem eutectic gálio índio (EGAIN) ou estanho gálio índio (Gali....

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Resultados

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A Figura 1 A mostra um exemplo da técnica de dois eléctrodos simples para a oxidação e redução. Neste caso, uma gota de 70 ul do metal líquido colocado em um 1 M de NaOH solução contacta um fio de cobre para estabelecer uma ligação eléctrica. O NaOH 1 M remove a superfície do óxido de metal e permite que o metal talão para cima, devido à sua tensão interfacial. Aplicando um potencial de 2,5 V entre a queda de malha de platina e um c.......

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Discussão

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Este método controla a tensão superficial de líquidos à base de metais de gálio que utilizam pequenas tensões de conduzir a deposição e remoção de um óxido de superfície. Embora o método apenas funciona em soluções de electrólitos, que é simples, e funciona de uma ampla variedade de diferentes condições, mas existem subtilezas dignos de nota. Na ausência de potencial eléctrico, ambas as soluções ácidas e básicas etch afastado do óxido de 27. A aplicação de um potencial oxidativo conduz a formação de óxi.......

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Divulgações

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Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

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Os autores reconhecem o apoio da Samsung, dos Fundos de Inovação dos Chanceleres do Estado da Carolina do Norte, da NSF (CAREER CMMI-0954321 e Triangle MRSEC DMR-1121107) e dos Laboratórios de Pesquisa da Força Aérea.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Eutectic Gallium Indium IndiumCorporation
Hidróxido de SódioFisher Scientific2318-3
Ácido ClorídricoFisher ScientificA481-212
Fluoreto de SódioSigma-Aldrich201154
Adesivo ÓpticoNorlandNOA81
Polidimetilsiloxano ( Sylgard-184)Kit de elastômero de siliconeDow Corning
Capilares de vidro de borosilicatoFriedrich e DimmochB41972
Eletrodo de referência Ag/AgClMicroeletrodos Inc.MI-401F
Fonte de TensãoKeithley3390
PotenciostatoGamryRef 600
Cortador a LaserUniversal Sistemas LaserVLS 3.50

Referências

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  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.

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