Методическая статья

Метод манипулировать поверхностное натяжение жидкого металла с помощью поверхностного окисления и восстановления

DOI:

10.3791/53567

⸱

26 января 2016 г.

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

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы представляем метод управления межфазной энергией жидкого металла в электролите посредством электрохимического осаждения (или удаления) поверхностного оксидного слоя. Этот простой метод позволяет управлять капиллярным поведением жидких металлов на основе галлия путем быстрой, значительной и обратимой настройки межфазной энергии с использованием умеренных напряжений.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Управление поверхностное натяжение является эффективным методом для манипулирования форма, положение и поток жидкости в длину субмиллиметровых масштабах, где поверхностное натяжение является доминирующей силой. Различные методы существуют для управления межфазного натяжения водных и органических жидкостей на этой шкале; Однако, эти методы ограничены полезность для жидких металлов из-за их большой межфазного натяжения.

Жидкие металлы могут образовывать мягкие, растягивается, и формы-реконфигурируемая компонентов в электронных и электромагнитных устройств. Хотя это можно манипулировать этих жидкостей через механическими методами (например, насосных), электрические методы легче миниатюризации, контроля и реализации. Тем не менее, большинство электрических методы имеют свои ограничения: электросмачивания-на-диэлектрике требует больших (кВ) потенциал для скромного приведения, электрокапиллярности могут повлиять относительно небольшие изменения в поверхностное натяжение, и непрерывное Electrowetting ограничен втулок жидкого металла в капиллярах.

Здесь мы представляем метод для приведения в действие галлия и галлия жидкость на основе металлических сплавов с помощью электрохимической реакции поверхности. Управление электрохимический потенциал на поверхности жидкого металла в электролите быстро и обратимо изменяется поверхностное натяжение чем на два порядка величины (̴500 мН / м практически до нуля). Кроме того, этот метод требует только очень скромное потенциал (<1 V) применяется по отношению к противоположному электроду. Результирующее изменение натяжения обусловлена ​​прежде всего электрохимического осаждения поверхностного слоя оксида, который действует в качестве поверхностно-; удаление оксида увеличивает поверхностное натяжение, и наоборот. Эта техника может быть применена в различных электролитов и не зависит от подложки, на которой она опирается.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Манипуляция поверхностное натяжение жидкого металла в электролите

  1. Окисление
    1. Залить водный электролит (кислотного или основного) в чашке Петри. Чтобы гарантировать, что оксид полностью удален, использовать кислоту или основание с концентрацией больше 0,1 М 24 (например, 1 М NaOH или 1М HCl). Используйте объем, который будет заполнить блюдо на глубину примерно 1-3 мм. Избегайте контакта с кожей с этих решений.
    2. Используйте шприц, чтобы поместить каплю (оптимально между 10-500 мкл) из сплава галлия на основе в электролите. Примеры включают эвтектики галлия индия (EGaIn) или галлий индия и олова (галинстан). Если используют чистый галлий, нагреть электролит, по меньшей мере 30 ° С, чтобы предотвратить замерзание.
    3. Поместите медный провод в жидкий металл, чтобы установить рабочий электрод. Используйте медный провод диаметром меньше, чем капли, и использовать цифровой мультиметр в соответствии с инструкциями изготовителя еNsure, что провод имеет сопротивление <1 Ом. В кислотой или основанием, жидкий металл будет смачивать медь и тем самым образуют отличную электрический контакт.
    4. Поместите проводящий противоэлектрод (например, меди, графита, платины и т.д.) в растворе, но не в контакте с жидким металлом. Если счетчик-электрод имеет сопротивления <1 Ом, его размеры не имеют значения.
    5. Подключите провода к источнику напряжения и применить положительный потенциал в жидком металле. Для малого деформации формы, применяются положительное напряжение <1 В. для увеличения деформации формы (и движения жидкого металла к контр-электрода), применяются> 1 В.
      Примечание: концентрация раствора и расстояние капли от контр-электрода определяют напряжение, необходимое, чтобы вызвать изменения в межфазного натяжения так как скорость электрохимического окисления поверхности конкурирует с скорость растворения оксидного электролита.
  2. Сокращение
    1. Разлить каплю (10-500 мкл) жидкого металла из шприца в пустую чашку Петри.
    2. Налейте нейтральную водного электролита в чашке Петри (например, 1 М фторид натрия (NaF) или 1 М хлорида натрия (NaCl)) до уровня, который погружает металла.
      Примечание: Использование кислой (рН <3) или щелочном растворе (рН> 10) вызовет оксид для растворения спонтанно.
    3. Поместите медный провод в жидкий металл в качестве рабочего электрода, и проводом (например, меди) в электролит, чтобы выступать в качестве контр-электрода.
    4. Подключение проводов к источнику напряжения и применить отрицательный потенциал, чтобы жидкий металл. Применить примерно -1 V, чтобы удалить оксид поверхности и привести металл в dewet от подложки. Металл должен dewet на стороне ближе к контр-электрода.
    5. Применить более отрицательных потенциалов (<-1 V), чтобы полностью удалить слой оксида. Избегайте применения excesключительно большие отрицательные напряжения для предотвращения пузырьков водорода от появления на жидком металле за счет сокращения электролита.

Измерение Напряжение 2. Поверхность помощью сидячие Droplet

  1. Использование лазерной резки или фреза, сократить прямой путь от центра к краю куска полиметилметакрилата (ПММА) (~ 1 мм) Не сократить путь полностью через толщину ПММА. только сократить примерно на полпути через. Эта часть будет служить в качестве подложки для жидкого металла. Другие плоские и электроизолирующие материалы, такие как стекло, керамика, или полимеры могут также служить в качестве подложки.
  2. С помощью того же инструмента, вырезать 1 мм 2 через отверстие в центре ПММА.
  3. Используя путь в качестве руководства, запустить изолированной медной проволоки только с наконечником воздействию центре ПММА. Поместите провод так, чтобы он выступающие над поверхностью ПММА. Уплотнение провод в месте с герметичной клея. Порезпровод только выше поверхности ПММА, но не позволяйте ему расширить слишком далеко (за ~ 100 мкм), или это будет мешать форму капли.
  4. Лента ПММА кусок вниз в прозрачную емкость, через которую можно получить четкое изображение. Заполните контейнер с 1 М NaOH, и поместить каплю 25-50 мкл жидкого металла на выступающих медной проволоки. Этот провод будет служить в качестве рабочего электрода и мокрые капли.
  5. Поместите платины сетки против электрод и насыщенный серебро / хлорид серебра (Ag / AgCl) электродный в растворе. Подключите все электроды к потенциостата.
  6. Поместите контейнер в угол контакта гониометра таким образом, что профиль поверхности капли четко виден. Использование потенциостате для управления напряжением по отношению к электроду сравнения, и использовать гониометра для измерения форму и тем самым поверхностное натяжение капли. Убедитесь, что гониометр способен измерения сидячие раскрывающемся межфазной Tensiна; можно также использовать пользовательский осесимметричное анализ формы капель изображений, полученных с горизонтально камеры 25.

3. Капиллярный инъекций

  1. Заполните стеклянного капилляра с раствором 1 М NaOH. Диаметр капилляра должна быть ~ 1 мм.
  2. Поместите один конец капиллярной вплотную капли жидкого металла. Выравнивание капилляр так, чтобы он был параллелен поверхности стола (т.е. перпендикулярно тяжести). Избегайте воздушных зазоров между жидкой капли металла и капиллярной электролита заполнены. Использование протрите, промокните излишки электролита, что, возможно, утечка в процессе сборки.
  3. Поместите медный провод (рабочий электрод) в жидком металле, и проводящий противоэлектрод (например меди) на открытом конце капилляра таким образом, чтобы она контактирует с раствором.
  4. Подключите провода к источнику напряжения и применить положительный потенциал в жидком металле. Жидкий металл должен начать заполнять грapillary (избежать больших потенциалов, которые вызывают избыточное образование пузырьков на контр-электрода).

4. Изъятие капиллярной

  1. Используйте мягкие методы литографических 26 и реплики формования для изготовления микроканалов, состоящие из полидиметилсилоксана (PDMS). Изготовление каналы, которые в ширину примерно от 100 до 1000 мкм, 100 мкм высотой и 25 мм до 65 в длину.
    Примечание: Канал размеры 1000 мкм широкий, 100 мкм высотой и 65 мм длиной канала производится последовательные результаты, но другие могут также работать. Кроме того, использование стеклянных капилляров (например, диаметр 1 мм, боросиликатного стекла) вместо PDMS микроканалов.
  2. Вводят жидкий металл либо вручную, либо с помощью шприцевого насоса, чтобы полностью заполнить канал (т.е. 6,5 мм 3 для широкого 1000 мкм, 100 мкм высотой и 65 мм в длинном канале).
  3. Использование ватным тампоном, который был, смоченным в 1 М NaOH или 1М HCl, снимите лишнее количество Liфунтов металла от впускного (и, если необходимо, на выходе) канала, так что металл остается на одном уровне с верхней поверхностью PDMS.
  4. Submerge один конец канала в электролите (например, 1 М NaCl), и установить анод (например, провода меди, платины, вольфрама или) таким образом, чтобы она касалась электролита, но не металла.
  5. На другом конце канала, обратитесь отдельный электрод (например, медный провод) к поверхности металла, так что само по себе жидкий металл действует в качестве катода.
  6. Подключите эти провода (т.е., анодных и катодных) к источнику напряжения или потенциостата, и завершить электрическую цепь. Для системы трех электродов, поместите электрод так, что он едва погружается в капле электролита.
  7. Перед применением восстанавливающего напряжения, смонтировать видео камеру на штативе или в микроскоп, чтобы записать экспериментов. Используйте режим автофокуса, чтобы все в фокусе. Используйте ручную фокусировку, чтобы лучше контролироватьглубина резкости, баланса белого, ISO и. При необходимости, использовать более F-стоп (т.е. 11 или выше), 1/100 затвор, автоматический баланс белого и ISO авто.
  8. Начало записи эксперимент. Применить примерно -1 V вывести жидкого металла из микроканалов. Включите напряжение от вызвать металл, чтобы остановить движение в нейтральном электролите.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Рисунок 1 показывает пример простого метода двух электродов для окисления и восстановления. В этом случае, снижение 70 мкл жидкого металла помещают в 1 М NaOH в растворе контактов медный провод, чтобы установить электрическое соединение. 1-М NaOH удаляет поверхностной оксидной из металла и позволяет металла, чтобы шарик до из-за его поверхностного натяжения. Применение потенциал 2,5 В. между каплей и платины сетки контр-электрода вы...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот метод контролирует поверхностное натяжение галлия на основе жидких металлов с использованием малых напряжений для управления осаждение и удаление поверхностного оксида. Хотя способ работает только в растворах электролитов, это просто, и работает в широком диапазоне различных условий, но есть тонкости стоит отметить. При отсутствии электрического потенциала, как кислотные, так и основные растворы стравливают оксида 27. Применение окислительного потенциала приводит в образованию поверхностных оксидов...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы выражают признательность за поддержку со стороны Samsung, Инновационных фондов канцлеров штата Северная Каролина, NSF (CAREER CMMI-0954321 и Triangle MRSEC DMR-1121107) и исследовательских лабораторий ВВС.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Эвтектика Галлий ИндияИндия Корпорация
Гидроксид натрияFisher Scientific2318-3
Соляная кислотаFisher ScientificA481-212
Фторид натрияSigma-Aldrich201154
Оптический клейNorlandNOA81
Полидиметилсилоксан ( Sylgard-184)Dow CorningНабор силиконовых эластомеров
Капилляры боросиликатного стеклаFriedrich and DimmochB41972
Ag/AgCl Электрод сравненияМикроэлектроды Inc.MI-401F
Источник напряженияKeithley3390
ПотенциостатGamryRef 600
Лазерный резакУниверсальные лазерные системыVLS 3.50

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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. 402 (6763), 794-797 (1999).
  3. Daniel, S., Chaudhury, M. K., Chen, J. C. Fast Drop Movements Resulting from the Phase Change on a Gradient Surface. Science. 291 (5504), 633-636 (2001).
  4. Ichimura, K., Oh, S. K., Nakagawa, M. Light-driven motion of liquids on a photoresponsive surface. Science. 288 (5471), 1624-1626 (2000).
  5. Gallardo, B. S., et al. Electrochemical principles for active control of liquids on submillimeter scales. Science. 283 (5398), 57-60 (1999).
  6. Zhao, B., Moore, J. S., Beebe, D. J. Surface-Directed Liquid Flow Inside Microchannels. Science. 291 (5506), 1023-1026 (2001).
  7. Chaudhury, M. K., Whitesides, G. M. How to Make Water Run Uphill. Science. 256 (5063), 1539-1541 (1992).
  8. Lahann, J., et al. A reversibly switching surface. Science. 299 (5605), 371-374 (2003).
  9. Rogers, J. A., Someya, T., Huang, Y. Materials and Mechanics for Stretchable Electronics. Science. 327 (5973), 1603-1607 (2010).
  10. Bauer, S., et al. 25th Anniversary Article: A Soft Future: From Robots and Sensor Skin to Energy Harvesters. Adv. Mater. 26 (1), 149-162 (2013).
  11. Ozbay, E. Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions. Science. 311 (5758), 189-193 (2006).
  12. Monat, C., Domachuk, P., Eggleton, B. J. Integrated optofluidics: A new river of light. Nat. Photonics. 1 (2), 106-114 (2007).
  13. Schurig, D., et al. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies. Science. 314 (5801), 977-980 (2006).
  14. Dickey, M. D. Emerging Applications of Liquid Metals Featuring Surface Oxides. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (21), 18369-18379 (2014).
  15. Dickey, M. D., et al. Eutectic gallium-indium (EGaIn): A liquid metal alloy for the formation of stable structures in microchannels at room temperature. Adv. Funct. Mater. 18 (7), 1097-1104 (2008).
  16. Regan, M. J., et al. X-ray study of the oxidation of liquid-gallium surfaces. Phys. Rev. B. 55 (16), 10786-10790 (1997).
  17. Giguère, P. A., Lamontagne, D. Polarography with a Dropping Gallium Electrode. Science. 120 (3114), 390-391 (1954).
  18. Frumkin, A., Polianovskaya, N., Grigoryev, N., Bagotskaya, I. Electrocapillary phenomena on gallium. Electrochim. Acta. 10 (8), 793-802 (1965).
  19. Lippmann, G. France Université. Relations entre les phénomènes électriques et capillaires. , Gauthier-Villars. (1875).
  20. Tsai, J. T. H., Ho, C. M., Wang, F. C., Liang, C. T. Ultrahigh contrast light valve driven by electrocapillarity of liquid gallium. Appl. Phys. Lett. 95 (25), 251110(2009).
  21. Khan, M. R., Trlica, C., Dickey, M. D. Recapillarity: Electrochemically Controlled Capillary Withdrawal of a Liquid Metal Alloy from Microchannels. Adv. Funct. Mater. 25 (5), 671-678 (2015).
  22. Saltman, W., Nachtrieb, N. The Electrochemistry of Gallium. J. Electrochem. Soc. 100, 126-130 (1953).
  23. Perkins, R. Anodic-Oxidation of Gallium in Alkaline-Solution. J. Electroanal. Chem. 101, 47-57 (1979).
  24. Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H. M., Brown, E. Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium. Phys. Fluids. 24, 063101(2012).
  25. Rotenberg, Y., Boruvka, L., Neumann, A. W. Determination of surface tension and contact angle from the shapes of axisymmetric fluid interfaces. J. Colloid Interface Sci. 93, 169-183 (1983).
  26. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Annu. Rev. Mater. Sci. 28 (1), 153-184 (1998).
  27. Pourbaix, M. Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions. , Natl Assn of Corrosion. (1974).
  28. Gough, R. C., et al. Rapid electrocapillary deformation of liquid metal with reversible shape retention. Micro Nano Syst. Lett. 3 (1), 1-9 (2015).
  29. Wang, M., Trlica, C., Khan, M. R., Dickey, M. D., Adams, J. J. A reconfigurable liquid metal antenna driven by electrochemically controlled capillarity. J. Appl. Phys. 117 (19), 194901(2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи