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

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar a manipulação de metal líquido sob a influência de potenciais eletroquímicos. Este método ajusta a tensão interfacial do metal líquido em uma faixa enorme, enquanto elucida o papel dos óxidos na tensão interfacial. O principal apelo dessa técnica é que ela é simples, reversível e requer apenas potenciais muito modestos.

Essa coisa tem sido utilizada para fazer dispositivos eletrônicos que são reconfiguráveis e compostos quase inteiramente de Para realizar a oxidação, despeje um eletrólito aquoso em uma placa de Petri. Use um volume que encha o prato a uma profundidade de aproximadamente um a três milímetros. Use uma seringa para colocar uma gota de uma liga à base de gálio no eletrólito.

Aqui, o índio gálio eutético é usado. Coloque um fio de cobre com um diâmetro menor que o da gota no metal líquido para estabelecer o eletrodo de trabalho. Em ácido ou base, o metal líquido umedece o cobre e, assim, forma um excelente contato elétrico.

Coloque um contra-eletrodo condutor na solução, mas não em contato com o metal líquido. Se o contra-eletrodo tiver uma resistência inferior a um ohm, suas dimensões são irrelevantes. Em seguida, conecte os fios a uma fonte de tensão e aplique um potencial positivo ao metal líquido.

Para deformação de forma pequena, aplique tensões positivas menores que um volt. Para deformação de forma maior, aplique mais de um volt. Para realizar a redução, dispense uma gota do metal líquido de uma seringa em uma placa de Petri vazia.

Em seguida, coloque um eletrólito aquoso neutro na placa de Petri a um nível que submerja o metal. Coloque um fio de cobre no metal líquido para atuar como um eletrodo de trabalho e coloque um fio condutor no eletrólito para atuar como contra-eletrodo. Conecte os fios a uma fonte de tensão e aplique um potencial negativo ao metal líquido.

Aplique aproximadamente menos um volt para remover o óxido da superfície e fazer com que o metal se desumedeça do substrato. O metal deve desumedecer primeiro no lado mais próximo do contra-eletrodo. Aplique mais potenciais negativos para remover completamente a camada de óxido.

Evite aplicar tensões negativas excessivamente grandes para evitar que bolhas de hidrogênio apareçam no metal líquido devido à redução do eletrólito. Usando um cortador a laser ou ferramenta de fresagem, corte um caminho direto do centro até a borda de um pedaço de polimetilmetacrilato, ou PMMA. Não corte o caminho até a espessura do PMMA.

Esta peça servirá de substrato para o metal líquido. Com a mesma ferramenta, faça um orifício de um milímetro quadrado no centro do PMMA. Usando o caminho como guia, passe um fio de cobre isolado com apenas a ponta exposta, até o centro do PMMA.

Posicione o fio de forma que fique saliente sobre a superfície do PMMA. Sele o fio no lugar com um adesivo à prova de vazamentos. Corte o fio logo acima da superfície do PMMA, mas não deixe que ele se estenda muito ou atrapalhará o formato da gota.

Cole a peça de PMMA em um recipiente transparente através do qual uma imagem nítida possa ser obtida. Coloque o recipiente em um goniômetro de ângulo de contato de modo que o perfil da superfície da gota seja claramente visível. Encha o recipiente com um hidróxido de sódio molar.

Em seguida, coloque uma gota de 25 a 50 microlitros de metal líquido no fio de cobre saliente. Este fio servirá como eletrodo de trabalho e umedecerá a gota. Conecte todos os eletrodos a um potenciostato.

Em seguida, coloque um contra-eletrodo de malha de platina e um eletrodo de referência de cloreto de prata e prata saturado na solução. Use o potenciostato para controlar a tensão em relação ao eletrodo de referência e use o goniômetro para medir a forma e, portanto, a tensão interfacial da gota. Certifique-se de que o goniômetro seja capaz de medir a tensão interfacial de queda séssil.

Encha um capilar de vidro com uma solução de hidróxido de sódio de um molar. O diâmetro capilar deve ser de aproximadamente um milímetro. Coloque uma extremidade do capilar nivelada contra uma gota de metal líquido.

Alinhe o capilar de forma que fique paralelo à superfície da mesa. Evite espaços de ar entre a gota de metal líquido e o capilar cheio de eletrólitos. Usando um lenço, limpe qualquer excesso de eletrólito que possa ter vazado durante a montagem.

Coloque um fio de cobre no metal líquido e um contra-eletrodo condutor na extremidade aberta do capilar para que ele entre em contato com a solução. Conecte os fios a uma fonte de tensão e aplique um potencial positivo ao metal líquido. O metal líquido deve começar a preencher o capilar.

Utilize técnicas de moldagem litográfica suave e réplica para fabricar canais microfluídicos compostos de polidimetilsiloxano ou PDMS. Fabricar canais com aproximadamente 100 a 1.000 mícrons de largura, 100 mícrons de altura e 25 a 65 milímetros de comprimento. Injete metal líquido manualmente ou usando uma bomba de seringa para encher o canal completamente.

Usando um cotonete mergulhado em um hidróxido de sódio molar ou cloreto de hidrogênio molar, remova as quantidades excessivas de metal líquido da entrada do canal para que o metal permaneça nivelado com a superfície superior do PDMS. Mergulhe uma extremidade do canal no eletrólito e coloque o ânodo de forma que ele toque o eletrólito, mas não o metal. Na outra extremidade do canal, entre em contato com um eletrodo separado na superfície do metal para que o próprio metal líquido atue como um cátodo.

Conecte esses fios a uma fonte de tensão e complete o circuito elétrico. Para um sistema de três eletrodos, coloque o eletrodo de referência de forma que ele mal submerja na gota de eletrólito. Antes de aplicar uma tensão redutora, monte uma câmera de vídeo em um tripé ou em um microscópio para registrar os experimentos.

Use o modo de foco automático para colocar tudo em foco. Utilize o foco manual para ter melhor controle sobre a profundidade de campo, balanço de branco e ISO. Conforme necessário, use um f stop mais alto, uma velocidade do obturador de um centésimo de segundo, balanço de branco automático e ISO automático.

Comece a gravar o experimento. Aplique aproximadamente menos um volt para retirar o metal líquido dos microcanais. Desligue a tensão para fazer com que o metal pare de se mover no eletrólito neutro.

Aqui é mostrado um vídeo goniômetro do metal líquido se espalhando sob a influência do potencial eletroquímico. Uma diminuição na altura significa um potencial oxidativo maior. A tensão interfacial pode ser determinada a partir da curvatura da gota.

A região à esquerda da linha pontilhada onde a camada de óxido está ausente mostra comportamento eletrocapilar típico. No entanto, quando a camada de óxido está presente, a tensão interfacial mostra um declínio acentuado, diminuindo ainda mais à medida que tensões maiores são aplicadas. A aplicação de um potencial redutor ao metal remove o óxido e faz com que ele se retire dos microcanais.

Este gráfico mostra o perfil de velocidade da retirada capilar em uma tensão constante. À medida que o metal líquido é substituído por eletrólito, a resistência elétrica no microcanal aumenta, causando uma queda na velocidade ao longo do tempo. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em questão de minutos e deve permitir que cientistas e engenheiros estudem mais esse fenômeno único.