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

Общая цель данной процедуры — продемонстрировать манипулирование жидким металлом под воздействием электрохимических потенциалов. Этот метод позволяет регулировать межфазное натяжение жидкого металла в очень широком диапазоне, одновременно выясняя роль оксидов в этом процессе. Основное преимущество данной методики заключается в ее простоте, обратимости и необходимости применения лишь очень низких потенциалов.

Данный метод использовался для создания реконфигурируемых электронных устройств, состоящих почти полностью из. Для проведения окисления налейте водный электролит в чашку Петри. Используйте такой объем, чтобы заполнить чашку до глубины примерно от одного до трех миллиметров. С помощью шприца поместите каплю сплава на основе галлия в электролит.

В данном случае используется эвтектический галлий-индий. Для создания рабочего электрода поместите медную проволоку, диаметр которой меньше диаметра капли, в жидкий металл. В кислой или щелочной среде жидкий металл смачивает медь, обеспечивая тем самым отличный электрический контакт.

Поместите проводящий вспомогательный электрод в раствор, избегая его контакта с жидким металлом. Если сопротивление вспомогательного электрода составляет менее 1 Ом, его размеры не имеют значения. Затем подсоедините провода к источнику напряжения и подайте положительный потенциал на жидкий металл.

Для небольшой деформации формы подавайте положительное напряжение менее 1 V. Для более значительной деформации формы подавайте напряжение более 1 V. Для проведения редукции выдавите каплю жидкого металла из шприца в пустую чашку Петри.

Затем налейте в чашку Петри нейтральный водный электролит до уровня, при котором металл будет полностью погружен. Поместите медную проволоку в жидкий металл в качестве рабочего электрода, а проводящую проволоку — в электролит в качестве противоэлектрода. Подключите провода к источнику напряжения и подайте отрицательный потенциал на жидкий металл.

Подайте напряжение примерно минус один вольт, чтобы удалить поверхностный оксид и вызвать отслаивание металла от подложки. Металл должен начать отслаиваться первым с той стороны, которая находится ближе к вспомогательному электроду. Подавайте более отрицательные потенциалы для полного удаления оксидного слоя.

Во избежание появления пузырьков водорода на жидком металле вследствие восстановления электролита не следует подавать избыточно высокие отрицательные напряжения. С помощью лазерного резака или фрезерного инструмента прорежьте прямой канал от центра к краю заготовки из полиметилметакрилата (ПММА). Не прорезайте канал на всю толщину ПММА.

Эта деталь будет служить подложкой для жидкого металла. С помощью того же инструмента прорежьте в центре ПММА отверстие размером один квадратный миллиметр. Используя проложенный путь в качестве направляющей, проведите к центру ПММА изолированный медный провод с зачищенным концом.

Расположите проволоку так, чтобы она выступала над поверхностью ПММА. Зафиксируйте проволоку герметичным клеем. Обрежьте проволоку чуть выше поверхности ПММА, стараясь не оставлять слишком длинный конец, так как это может нарушить форму капли.

Прикрепите образец ПММА скотчем к прозрачному контейнеру, обеспечивающему получение четкого изображения. Поместите контейнер в гониометр для измерения контактного угла таким образом, чтобы профиль поверхности капли был четко виден. Заполните контейнер одномолярным раствором гидроксида натрия.

Затем поместите каплю жидкого металла объемом от 25 до 50 µL на выступающий медный провод. Этот провод будет служить рабочим электродом и обеспечит смачивание капли. Подключите все электроды к потенциостату.

Затем поместите в раствор платиновый сетчатый вспомогательный электрод и насыщенный электрод сравнения из хлорида серебра. Используйте потенциостат для контроля напряжения относительно электрода сравнения и гониометр для измерения формы и, следовательно, межфазного натяжения капли. Убедитесь, что гониометр позволяет измерять межфазное натяжение сидячей капли.

Заполните стеклянный капилляр 1 M раствором гидроксида натрия. Диаметр капилляра должен составлять приблизительно 1 мм. Приложите один конец капилляра вплотную к капле жидкого металла.

Расположите капилляр параллельно поверхности стола. Избегайте образования воздушных зазоров между каплей жидкого металла и заполненным электролитом капилляром. С помощью салфетки удалите излишки электролита, которые могли вытечь во время сборки.

Поместите медную проволоку в жидкий металл, а 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 репликации для изготовления микрофлюидных каналов из полидиметилсилоксана (PDMS). Изготовьте каналы шириной примерно от 100 до 1 000 мкм, высотой 100 мкм и длиной от 25 до 65 мм. Введите жидкий металл вручную или с помощью шприцевого насоса, чтобы полностью заполнить канал.

С помощью ватной палочки, смоченной в 1 M растворе гидроксида натрия или 1 M растворе хлорида водорода, удалите излишки жидкого металла из входного отверстия канала таким образом, чтобы поверхность металла была вровень с верхней поверхностью PDMS. Погрузите один конец канала в электролит и расположите анод так, чтобы он касался электролита, но не металла. На другом конце канала подсоедините отдельный электрод к поверхности металла, чтобы сам жидкий металл выполнял функцию катода.

Подсоедините эти провода к источнику напряжения и замкните электрическую цепь. Для трехэлектродной системы расположите электрод сравнения таким образом, чтобы он едва погружался в каплю электролита. Перед подачей восстанавливающего напряжения установите видеокамеру на штатив или в микроскоп для записи хода экспериментов.

Используйте режим автофокусировки, чтобы все объекты были в фокусе. Используйте ручную фокусировку для более точного контроля глубины резкости, баланса белого и ISO. При необходимости установите большее значение диафрагмы (f-стоп), выдержку 1/100 секунды, автоматический баланс белого и автоматическое значение ISO.

Начните запись эксперимента. Подайте напряжение приблизительно минус один вольт, чтобы извлечь жидкий металл из микроканалов. Выключите напряжение, чтобы остановить движение металла в нейтральном электролите.

Здесь представлено видео с гониометра, демонстрирующее растекание жидкого металла под воздействием электрохимического потенциала. Уменьшение высоты свидетельствует о более окислительном потенциале. Межфазное натяжение можно определить по кривизне капли.

Область слева от пунктирной линии, где оксидный слой отсутствует, демонстрирует типичное электрокапиллярное поведение. Однако при наличии оксидного слоя межфазное натяжение резко снижается и продолжает падать по мере подачи более высоких напряжений. Приложение восстанавливающего потенциала к металлу удаляет оксид и приводит к его отступлению из микроканалов.

На этом графике показан профиль скорости капиллярного втягивания при постоянном напряжении. По мере того как жидкий металл замещается электролитом, электрическое сопротивление в микроканале увеличивается, что приводит к снижению скорости со временем. После освоения эта методика может быть выполнена за несколько минут, что позволит ученым и инженерам продолжить изучение этого уникального явления.