$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Этот метод обеспечивает простой способ управления поверхностным натяжением жидких металлов, содержащих галлий. Метод использует умеренные напряжения (~1 В), приложенные непосредственно к жидкому металлу (относительно противоэлектрода в присутствии электролита) для достижения огромных и обратимых изменений поверхностного натяжения металла1.
Поверхностное натяжение является доминирующей силой для жидкостей в малых масштабах и важно для ряда капиллярных явлений, включая смачивание, растекание и поток, вызванный поверхностным натяжением. Следовательно, возможность контролировать поверхностное натяжение является разумным способом манипулирования формой, положением и потоком жидкостей в масштабах длины менее миллиметра. Наиболее распространенным способом изменения поверхностного натяжения между двумя жидкостями является использование поверхностно-активного вещества, которое представляет собой молекулу, охватывающую границу раздела между жидкостями. Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение, но таким образом, что их нелегко обратить вспять, так как поверхностно-активные вещества трудно удалить с границы раздела. Поверхностное натяжение также может быть изменено с помощью различных методов, включая градиенты температуры2,3, свет4, химический состав поверхности 5-7 и напряжение8. Но большинство из этих методов приводят к незначительным изменениям поверхностного натяжения, особенно для жидких металлов, которые имеют особенно большое поверхностное натяжение.
Возможность контролировать поверхностное натяжение жидкого металла может открыть новые возможности для создания реконфигурируемых структур с металлическими свойствами для электронных, тепловых и оптических применений 9-14. Самым распространенным жидким металлом является ртуть, которая известна своей токсичностью. Описанные здесь методы актуальны для жидких металлов на основе галлия. Эти металлы имеют низкую вязкость, большое поверхностное натяжение, низкую летучесть (низкое давление пара) и низкуютоксичность15. Важно отметить, что эти металлы образуют поверхностные оксиды, состоящие из оксида галлия толщиной в несколько нм на воздухе16. Этот оксидный слой создает физическую оболочку, которая исторически была неудобством для электрохимических и гидродинамическихприменений. Этот метод использует оксид новыми способами для контроля поверхностного натяжения.
Наиболее распространенным способом манипулирования жидкими металлами в электролите является подача потенциала на металл относительно противоэлектрода18. Противоположно заряженные ионы электролита совпадают с зарядами на металле, в результате чего межфазное напряжение падает. Это явление, называемое электрокапиллярностью, известно с 1870-х годов, как описано в Липпмане19, и использовалось для сплавовгаллия-20. Как правило, электрокапиллярность приводит к незначительным изменениям поверхностного натяжения, поскольку нежелательные электрохимические реакции ограничивают диапазон напряжений, приложенных к металлу. В противоположность этому, описанный здесь метод использует поверхностное окисление металла (или, наоборот, восстановление поверхностного оксида) как способ достижения огромных изменений поверхностного натяжения сверх изменений, возникающих в результате электрокапиллярности. Ведущее объяснение этого явления заключается в том, что оксид асимметричен; То есть, внешняя поверхность оксида заканчивается гидроксильными группами (создавая низкое межфазное натяжение границы с водным электролитом), а внутренняя поверхность оксида заканчивается атомами галлия (создавая низкое межфазное натяжение границы с металлом). В отличие от этого, удаление оксида с помощью электрохимического восстановления приводит к образованию голой границы раздела металл-электролит, которая возвращает металл обратно в состояние высокого поверхностного натяжения. Мы характеризуем межфазное натяжение металла, анализируя форму сидячих капель в зависимости от напряжения, предполагая, что гравитация и поверхностное натяжение являются доминирующими силами, определяющими кривизну его поверхности.
Преимущество этого метода по сравнению с классической электрокапиллярностью заключается в том, что он может обратимо настраивать напряжение жидких металлов с низкой токсичностью в огромных диапазонах (от ~500 мН/м до почти нуля). Это дельта-изменение поверхностного натяжения может быть самым большим из когда-либо описанных в литературе для любой жидкости, и оно может быть достигнуто настраиваемым и обратимым образом. Эти большие изменения поверхностного натяжения полезны для манипулирования капиллярным поведением металлов; Например, он может заставить металл распространяться по поверхности, выводить металл из микроканалов, заполнять микроканалы металлом и преодолевать рэлеевские нестабильности для образования волокон жидкого металла1,21.
Недостатком этого метода является то, что он требует электролита. Он лучше всего работает в кислотных или щелочных условиях, потому что эти электролиты удаляют избыток поверхностного оксида, который в противном случае загрязнил бы поверхность металла и механически ограничивал движение металла. Одновременное удаление и осаждение оксидного слоя усложняет анализ межфазных явлений, и мы надеемся, что методы, описанные в этой статье, позволят провести дополнительный анализ. Еще одним недостатком является то, что электрохимические реакции на поверхности металла должны сопровождаться комплементарными полуреакциями на встречном электроде22,23. Это может привести к образованию пузырьков водорода на противоэлектроде.