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

Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы продемонстрировать манипуляции с жидким металлом под действием электрохимических потенциалов. Этот метод настраивает межфазное натяжение жидкого металла в огромном диапазоне, выясняя роль оксидов в межфазном натяжении. Основная привлекательность этой техники заключается в том, что она проста, обратима и требует очень скромных возможностей.

Эта штука была использована для создания электронных устройств, которые реконфигурируются и почти полностью состоят из Чтобы выполнить окисление, налейте водный электролит в чашку Петри. Используйте объем, который позволит заполнить посуду на глубину примерно от одного до трех миллиметров. С помощью шприца поместите в электролит каплю сплава на основе галлия.

Здесь используется эвтектический галлий-индий. Поместите медную проволоку диаметром меньше диаметра капли в жидкий металл для установления рабочего электрода. В кислоте или основании жидкий металл будет смачивать медь и тем самым образовывать отличный электрический контакт.

Поместите в раствор проводящий противоэлектрод, но не соприкасающийся с жидким металлом. Если противоэлектрод имеет сопротивление менее одного Ом, его размеры не имеют значения. Далее подключите провода к источнику напряжения и подайте положительный потенциал на жидкий металл.

Для небольшой деформации формы подайте положительное напряжение менее одного вольта. Для большей деформации формы подайте приложение более одного вольта. Чтобы выполнить редукцию, вылейте каплю жидкого металла из шприца в пустую чашку Петри.

Затем насыпьте нейтральный водный электролит в чашку Петри до уровня, который погружает металл. Поместите медную проволоку в жидкий металл, чтобы она действовала как рабочий электрод, и поместите проводящую проволоку в электролит, чтобы она действовала как противоэлектрод. Подключите провода к источнику напряжения и подайте отрицательный потенциал на жидкий металл.

Подайте усилие примерно минус один вольт, чтобы удалить поверхностный оксид и заставить металл отмокнуть от подложки. Металл следует сначала смочить со стороны, ближайшей к контрэлектроду. Примените больше отрицательных потенциалов, чтобы полностью удалить оксидный слой.

Избегайте приложения чрезмерно больших отрицательных напряжений, чтобы предотвратить появление пузырьков водорода на жидком металле из-за восстановления электролита. С помощью лазерного резака или фрезерного инструмента вырежьте прямой путь от центра к краю куска полиметилметакрилата, или ПММА. Не прокладывайте дорожку по всей толщине ПММА.

Этот кусок будет служить подложкой для жидкого металла. Тем же инструментом прорежьте отверстие в один квадратный миллиметр в центре ПММА. Используя траекторию в качестве ориентира, проведите изолированный медный провод с открытым кончиком к центру ПММА.

Расположите провод так, чтобы он выступал над поверхностью ПММА. Запечатайте провод на месте с помощью герметичного клея. Отрежьте проволоку чуть выше поверхности ПММА, но не позволяйте ей расширяться слишком далеко, иначе она нарушит форму капли.

Заклейте кусочек ПММА скотчем в прозрачный контейнер, с помощью которого можно получить четкое изображение. Поместите емкость в углом контакта угломером так, чтобы профиль поверхности капли был хорошо виден. Заполните емкость одним моляром гидроксидом натрия.

Затем нанесите каплю жидкого металла объемом от 25 до 50 микролитров на выступающую медную проволоку. Этот провод будет служить рабочим электродом и будет смачивать каплю. Подключите все электроды к потенциостату.

Затем поместите в раствор противоэлектрод из платиновой сетки и насыщенный электрод сравнения из хлорида серебра и серебра. Используйте потенциостат для контроля напряжения по отношению к электроду сравнения, а с помощью гониометра измеряйте форму и, следовательно, межфазное натяжение капли. Убедитесь, что гониометр способен измерять межфазное натяжение сидячих капель.

Заполните стеклянный капилляр раствором одного моляра гидроксида натрия. Диаметр капилляра должен составлять примерно один миллиметр. Поместите один конец капилляра заподлицо в каплю жидкого металла.

Выровняйте капилляр так, чтобы он был параллелен поверхности стола. Избегайте воздушных зазоров между каплей жидкого металла и капилляром, заполненным электролитом. С помощью салфетки промокните излишки электролита, которые могли вытечь во время сборки.

Поместите медную проволоку в жидкий металл и проводящий противоэлектрод в открытый конец капилляра так, чтобы он контактировал с раствором. Подключите провода к источнику напряжения и подайте положительный потенциал на жидкий металл. Жидкий металл должен начать заполнять капилляр.

Используйте методы мягкой литографии и литья реплик для изготовления микрофлюидных каналов, состоящих из полидиметилсилоксана или PDMS. Изготовьте каналы шириной от 100 до 1 000 микрон, высотой 100 микрон и длиной от 25 до 65 миллиметров. Вводите жидкий металл либо вручную, либо с помощью шприцевого насоса, чтобы полностью заполнить канал.

С помощью ватного тампона, смоченного в одном моляре гидроксида натрия или одном моляре хлористого водорода, удалите избыточное количество жидкого металла с входного отверстия канала так, чтобы металл оставался заподлицо с верхней поверхностью PDMS. Погрузите один конец канала в электролит и поместите анод так, чтобы он касался электролита, но не металла. На другом конце канала приложите отдельный электрод к поверхности металла, чтобы жидкий металл сам выступал в роли катода.

Подключите эти провода к источнику напряжения, и завершите электрическую цепь. В трехэлектродной системе электрод должен быть размещен таким образом, чтобы он едва погружался в каплю электролита. Перед подачей редукционного напряжения установите видеокамеру на штатив или в микроскоп для записи экспериментов.

Используйте режим автоматической фокусировки, чтобы все сфокусировалось. Используйте ручную фокусировку, чтобы лучше контролировать глубину резкости, баланс белого и ISO. При необходимости используйте более высокую f-ступень, выдержку одну сотую секунды, автоматический баланс белого и автоматическое ISO.

Начните записывать эксперимент. Подайте напряжение примерно минус одно вольт, чтобы вывести жидкий металл из микроканалов. Выключите напряжение, чтобы металл перестал двигаться в нейтральном электролите.

Здесь показано видео с помощью гониометра о растекание жидкого металла под действием электрохимического потенциала. Уменьшение высоты означает повышение окислительного потенциала. Межфазное натяжение можно определить по кривизне капли.

Область слева от пунктирной линии, где оксидный слой отсутствует, демонстрирует типичное электрокапиллярное поведение. Однако, когда оксидный слой присутствует, межфазное напряжение резко снижается, а затем уменьшается по мере приложения большего напряжения. Применение восстановительного потенциала к металлу удаляет оксид и заставляет его выводиться из микроканалов.

На этом графике показан профиль скорости вывода капилляров при постоянном напряжении. По мере того, как жидкий металл заменяется электролитом, электрическое сопротивление в микроканале увеличивается, вызывая падение скорости с течением времени. После освоения эта техника может быть выполнена за считанные минуты и должна позволить ученым и инженерам продолжить изучение этого уникального явления.