Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

A طريقة لمعالجة التوتر السطحي من المعدن السائل عن طريق الأكسدة السطحية والحد من

doi: 10.3791/53567 Published: January 26, 2016
* These authors contributed equally

Abstract

السيطرة على التوتر السطحي هو وسيلة فعالة لمعالجة الشكل، والموقف، وتدفق السوائل في جداول طول ملليمتر من الباطن، حيث التوتر السطحي هو القوة المهيمنة. مجموعة متنوعة من أساليب وجود للسيطرة على التوتر السطحي للسوائل المائية والعضوية في هذا النطاق. ومع ذلك، فإن هذه التقنيات فائدة للمعادن سائلة محدودة بسبب التوتر السطحي كبير بهم.

يمكن أن المعادن السائلة تشكل مكونات لينة، للمط، وشكل إعادة التشكيل في الأجهزة الإلكترونية والكهرومغناطيسية. على الرغم من أنه من الممكن التعامل مع هذه السوائل عبر الطرق الميكانيكية (على سبيل المثال، وضخ)، وأساليب الكهربائية هي أسهل للتصغير، والسيطرة، وتنفيذها. ومع ذلك، فإن معظم تقنيات الكهربائية لديها قيود الخاصة: يتطلب electrowetting على اساس عازلة كبيرة (كيلو فولت) إمكانات يشتغل متواضعة، electrocapillarity يمكن أن تؤثر التغيرات الصغيرة نسبيا في التوتر السطحي، وايلى المستمرctrowetting يقتصر على المقابس من المعدن السائل في الشعيرات الدموية.

هنا، فإننا نقدم وسيلة لالمشغلات الغاليوم وسبائك المعدن السائل القائم على الغاليوم عبر رد فعل السطح الكهروكيميائية. السيطرة على إمكانات الكهروكيميائية على سطح المعدن السائل في بالكهرباء بسرعة وعكسية يغير التوتر السطحي بما يزيد عن اثنين من حيث الحجم (̴500 مليون / م إلى ما يقارب الصفر). وعلاوة على ذلك، يتطلب هذا الأسلوب فقط إمكانات متواضعة جدا (<1 V) تطبق نسبة إلى القطب المضاد. ومن المقرر أساسا إلى ترسب الكهروكيميائية من طبقة أكسيد السطح، الذي يعمل بمثابة السطحي التغيير مما أدى إلى التوتر. إزالة أكسيد يزيد من التوتر السطحي، والعكس بالعكس. هذه التقنية يمكن تطبيقها في مجموعة واسعة من الشوارد ومستقلة عن الركيزة التي تستند إليها.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. التلاعب في التوتر السطحي من المعدن السائل في بالكهرباء

  1. أكسدة
    1. صب المنحل بالكهرباء مائي (الحمضية أو الأساسية) في طبق بتري. لضمان أن أكسيد هو إزالتها بالكامل، استخدام حمض أو قاعدة مع تركيز أكبر من 0.1 M 24 (على سبيل المثال 1 M هيدروكسيد الصوديوم أو حمض الهيدروكلوريك 1 M). استخدام وحدة تخزين التي سيتم ملء الطبق على عمق حوالي 1-3 ملم. تجنب الاتصال الجلد مع هذه الحلول.
    2. استخدام حقنة لوضع قطرة (على النحو الأمثل بين 10-500 ميكرولتر) من سبيكة القائم على الغاليوم في بالكهرباء. ومن الأمثلة على ذلك سهل الانصهار الغاليوم الإنديوم (EGaIn) أو القصدير الغاليوم الإنديوم (Galinstan). إذا تم استخدام الغاليوم النقي، تدفئة بالكهرباء إلى 30 درجة مئوية على الأقل لمنع التجمد.
    3. وضع الأسلاك النحاسية في المعدن السائل لإنشاء القطب العاملة. استخدام الأسلاك النحاسية التي يبلغ قطرها أقل من ذلك الانخفاض، واستخدام متعدد الرقمية وفقا لتعليمات الشركة الصانعة لهتكفل للسلك له مقاومة <1 Ω. في حمض أو قاعدة، فإن المعدن السائل الرطب النحاس، وبالتالي تشكل الاتصال الكهربائية ممتازة.
    4. وضع إجراء لمكافحة الكهربائي (مثل النحاس والجرافيت، البلاتين، الخ) في الحل، ولكن ليس في اتصال مع المعدن السائل. إذا كانت مضادة الكهربائي لديه مقاومة لل<1 Ω، وأبعادها ليست ذات صلة.
    5. ربط الأسلاك بمصدر التيار الكهربائي وتطبيق الإمكانات الإيجابية لهذا المعدن السائل. لصغير تشوه الشكل، وتطبيق الفولتية الإيجابية <1 V. لأكبر تشوه الشكل (وحركة المعدن السائل نحو مكافحة الكهربائي)، وتطبيق> 1 V.
      ملاحظة: تركيز المحلول ومسافة الهبوط من دون وصفة طبية القطب تملي الجهد اللازم لإحداث تغييرات في توتر السطحي منذ معدل أكسدة السطح الكهروكيميائية يتنافس مع معدل أكسيد حل من قبل بالكهرباء.
    تخفيض
    1. الاستغناء عن قطرة (10-500 ميكرولتر) من المعدن السائل من حقنة في طبق بيتري فارغة.
    2. صب بالكهرباء مائي محايد في طبق بتري (على سبيل المثال 1 M فلوريد الصوديوم (ناف) أو 1 M كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم)) إلى المستوى الذي يغطس المعدن.
      ملاحظة: استخدام نوع الحمضية (الرقم الهيدروجيني <3) أو الحل الأساسي (الرقم الهيدروجيني> 10) تسبب أكسيد بحل من تلقاء أنفسهم.
    3. وضع الأسلاك النحاسية في المعدن السائل ليكون بمثابة القطب العمل، وسلك إجراء (مثل النحاس) في المنحل بالكهرباء لتكون بمثابة وصفة طبية الكهربائي.
    4. ربط الأسلاك بمصدر التيار الكهربائي وتطبيق السلبية المحتملة لهذا المعدن السائل. تطبيق ما يقرب من -1 V لإزالة أكسيد السطحية وتسبب المعدن dewet من الركيزة. يجب المعدن dewet على الجانب الأقرب إلى وصفة طبية الكهربائي.
    5. تطبيق إمكانات أكثر سلبية (<-1 V) لإزالة طبقة أكسيد تماما. تجنب تطبيق excesالفولتية السالبة sively لمنع فقاعات الهيدروجين من الظهور على المعدن السائل بسبب تخفيض بالكهرباء.

2. سطح قياس التوتر عن طريق مثبت مباشرة بالقاعدة القطرة

  1. باستخدام مقص الليزر أو أداة طحن، وقطع الطريق المباشر من المركز إلى حافة قطعة من البولى (PMMA) (~ 1 مم) لا تقطع الطريق على طول الطريق من خلال سمك PMMA؛ قطع فقط حوالي منتصف الطريق من خلال. هذه القطعة سوف تكون بمثابة ركيزة للمعدن السائل. مواد مسطحة وعازلة كهربائيا أخرى مثل الزجاج والسيراميك، أو البوليمرات يمكن أيضا أن تكون بمثابة الركيزة.
  2. مع نفس الأداة، وقطع حفرة 1 مم 2 من خلال مركز PMMA.
  3. باستخدام مسار كدليل، تشغيل الأسلاك النحاسية المعزولة مع سوى غيض تتعرض لمركز PMMA. ضع السلك بحيث يتم جاحظ على سطح PMMA. ختم السلك في المكان مع مادة لاصقة مانعة للتسرب. قطعسلك فقط فوق سطح PMMA، ولكن لا تدع ذلك تمديد بعيدة جدا (بعد ~ 100 ميكرون) أو أنه سوف يزعج شكل قطرة.
  4. الشريط قطعة PMMA إلى أسفل داخل وعاء شفاف من خلالها صورة واضحة ويمكن الحصول على. ملء حاوية مع 1 M هيدروكسيد الصوديوم، ووضع قطرة 25-50 ميكرولتر من المعدن السائل على الأسلاك النحاسية جاحظ. وهذا السلك بمثابة القطب العمل، وسوف الرطب الحبرية.
  5. وضع شبكة البلاتين مكافحة الكهربائي والمشبعة الفضة والفضة / كلوريد (حج / أجكل) القطب المرجع في الحل. ربط جميع الأقطاب إلى potentiostat.
  6. وضع الحاوية في مقياس الزوايا زاوية الاتصال بحيث الشخصي سطح انخفاض واضح للعيان. استخدام potentiostat للسيطرة على الجهد فيما يتعلق القطب المرجعية، واستخدام مقياس الزوايا لقياس الشكل وبالتالي التوتر السطحي للانخفاض. تأكد من أن مقياس الزوايا قادر على قياس انخفاض اطئة tensi بينيةعلى؛ فمن الممكن أيضا استخدام تحليل شكل axisymmetric مخصص للصور قطرة مأخوذة من كاميرا محمولة أفقيا 25.

3. شعري حقن

  1. ملء الزجاج الشعرية مع محلول هيدروكسيد الصوديوم 1 M. يجب أن يكون قطرها الشعرية ~ 1 مم.
  2. وضع واحدة من نهاية تدفق شعري ضد قطرة من المعدن السائل. محاذاة الشعرية بحيث يكون موازيا مع سطح الطاولة (أي عمودي على الجاذبية). تجنب الثغرات الجوي بين انخفاض المعدن السائل ومليئة بالكهرباء الشعرية. باستخدام مسح، ربت من أي بالكهرباء الزائدة التي قد تسربت خلال التجمع.
  3. ضع سلك النحاس (القطب العمل) في المعدن السائل، وموصل مكافحة الكهربائي (مثل الأسلاك النحاسية) في نهاية مفتوحة للالشعرية بحيث إنها تجري اتصالات مع الحل.
  4. ربط الأسلاك بمصدر التيار الكهربائي وتطبيق الإمكانات الإيجابية لهذا المعدن السائل. يجب أن يبدأ المعدن السائل ملء جapillary (تجنب إمكانيات كبيرة من شأنها أن تتسبب تشكيل فقاعة الزائد على مكافحة الكهربائي).

4. سحب شعري

  1. استخدام تقنيات لينة معدني 26 و الاصل صب لافتعال قنوات ميكروفلويديك تتكون من (PDMS) polydimethylsiloxane. افتعال القنوات التي ما يقرب من 100 إلى 1000 ميكرون واسعة، 100 ميكرون طويل القامة، و 25 إلى 65 مم طويلة.
    ملاحظة: قناة أبعاد 1000 ميكرون واسع، و 100 ميكرون طويل القامة، و 65 ملم قناة طويلة أسفرت عن نتائج متسقة، ولكن قد تعمل أيضا على الآخرين. بدلا من ذلك، استخدم الزجاج الشعيرات الدموية (على سبيل المثال، 1 مم، والزجاج البورسليكات) بدلا من microchannels PDMS.
  2. حقن المعدن السائل إما يدويا أو باستخدام ضخ حقنة لملء القناة بالكامل (أي 6.5 ملم 3 لقناة طويلة 1000 ميكرون واسعة، و 100 ميكرون طويل القامة، و 65 ملم).
  3. باستخدام قطعة من القطن الذي تم مغموسة في 1 M هيدروكسيد الصوديوم أو حمض الهيدروكلوريك M 1، وإزالة الكميات الزائدة من لىالمعادن مضغة من مدخل (وإذا لزم الأمر، ومنفذ) للقناة، بحيث لا يبقى المعدن مطاردة مع السطح العلوي للPDMS.
  4. غمر واحدة من نهاية القناة في الكهارل (على سبيل المثال، 1 M كلوريد الصوديوم)، ووضع القطب الموجب (على سبيل المثال، أسلاك النحاس والبلاتين، أو التنجستن) بحيث تلامس بالكهرباء ولكن ليس المعدن.
  5. في الطرف الآخر من القناة، اتصل القطب منفصل (على سبيل المثال، سلك النحاس) لسطح المعدن بحيث المعدن السائل نفسه بمثابة الكاثود.
  6. ربط هذه الأسلاك (أي القطب الموجب والسالب) لمصدر الجهد أو potentiostat، واستكمال الدائرة الكهربائية. لنظام الثلاث الكهربائي، ووضع القطب المرجع بحيث يغطس بالكاد إلى انخفاض بالكهرباء.
  7. قبل تطبيق الجهد الحد، جبل كاميرا الفيديو على حامل ثلاثي القوائم أو في المجهر لتسجيل التجارب. استخدام وضع ضبط تلقائي للصورة إلى الحصول على كل شيء في التركيز. استخدام التركيز اليدوي لديهم سيطرة أفضل علىعمق الميدان، توازن اللون الأبيض، وISO. عند الضرورة، استخدم العالي توقف F (أي 11 أو أعلى)، 1/100 مصراع عشر، توازن اللون الأبيض السيارات والسيارات ISO.
  8. بدء تسجيل التجربة. تطبيق ما يقرب من -1 V لسحب المعدن السائل من و microchannels. تحويل الجهد من أن يتسبب هذا المعدن لوقف التحرك في بالكهرباء محايد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

الشكل 1 ويظهر مثال على تقنية يومين القطب بسيطة للأكسدة والحد منها. في هذا المثال، انخفاض 70 ميكرولتر من المعدن السائل وضعت في 1 M هيدروكسيد الصوديوم الاتصالات الحل الأسلاك النحاسية لتأسيس اتصال الكهربائية. 1 M هيدروكسيد الصوديوم يزيل أكسيد السطح من المعدن، وتتيح للمعادن إلى حبة تصل بسبب توتره السطحي. تطبيق 2.5 V الإمكانات بين انخفاض وشبكة البلاتين مكافحة الكهربائي يتسبب في سطح إسقاط لأكسدة وانخفاض ينتشر حين يهاجرون نحو القطب المضاد (الشكل 1A الثاني). تطبيق إمكانية -1 V لهذا المعدن السائل يزيل أكسيد (بالإضافة إلى إزالة أكسيد بواسطة هيدروكسيد الصوديوم)، يسبب المعدن حبة فوق، ويولد فقاعات الهيدروجين على انخفاض بسبب احتمال الاختزالية (الشكل 1 عاي). فقاعات الهيدروجين وتشكل على القطب البلاتين مكافحة نظرا لإمكانية الكهروكيميائية نصف رد الفعل الذي يقلل من المفترض البروتونات في الحل.

منحنى electrocapillary (الشكل 1 B) يظهر انخفاض حاد في التوتر السطحي فعالية عندما أشكال طبقة أكسيد. وقد أخذت هذه البيانات في 1 M هيدروكسيد الصوديوم باستخدام حج / أجكل إشارة القطب المشبعة. في هذه الحالة، كانت إمكانيات الدائرة المفتوحة حوالي -1.5 V مقابل حج / أجكل، وطبقة أكسيد شكلت قرب -1.3 V مقابل حج / أجكل (المشار إليها بواسطة الخطوط المنقطة). استخدام 1 نتائج M حمض الهيدروكلوريك في سلوك الظواهر مماثلة، ولكن تشكيل فقاعات على سطح المعدن، حتى في إمكانات الأكسدة، ويجعل التحليل البصري صعوبة.

في غياب أكسيد (والتي يتم إزالتها من قبل 1 M هيدروكسيد الصوديوم، على سبيل المثال)، المعدن السائل عارية هو السائل التوتر السطحي عالية ويعتمد شكل كروي كما هو مبين في فيقوإعادة 2 A. قطرة المعدن السائل تقع المجاور لأنبوب الشعرية مليئة 1 M هيدروكسيد الصوديوم. A مسح يزيل بالكهرباء الزائدة من أسفل الحبرية، كما يتضح من الشكل 2 B. سلك نحاس اللمسات الحبرية لتشكيل القطب الموجب والقطب الآخر (أي القطب السالب، ليس هو مبين في الشكل 2) تقع داخل بالكهرباء شغل في الأنابيب الشعرية. بالكهرباء في الشعرية يكمل الدائرة بين القطبين، كما هو مبين في الشكل 2 C. تطبيق +1 V يقلل من التوتر السطحي في واجهة الرائدة ويتسبب في المعدن السائل لملء الشعرية كما هو مبين في الشكل 2 D. هذه التجربة يعمل بشكل أفضل إذا كان المعدن هو مطاردة مع نهاية الأنبوب.

في المقابل، وجود تحيز تقليل يزيل الجلد أكسيد وإرجاع ليالتل إلى حالة من التوتر السطحي كبير. ويظهر أحد الأمثلة على ذلك في الشكل (3) A. الجلد أكسيد تستقر على شكل بركة من المعدن السائل المغمورة في بالكهرباء محايد (الشكل 3 آي). تطبيق التحيز تقليل يزيل الجلد أكسيد، والسماح للمعدن لحبة يصل كما هو مبين في الشكل (3) A (ب-ج). نحن نسمي هذا الأسلوب "recapillarity" لأنه يستخدم إمكانات الاختزالية للحث على السلوكيات الشعرية 21. وتبعات أخرى لهذا المصطلح هو أن السلوك الشعرية يمكن تشغيل أو إيقاف تشغيله عدة مرات. على سبيل المثال، EGaIn يمكن سحبها من قنوات ميكروفلويديك PDMS عن طريق الحد من أكسيد أن تستقر إلا المعدن في القنوات (كما هو موضح في 4.1). ويوضح الشكل 3B -D تسلسل التجريبية من هذا القبيل.

نحن إدراجإبرة حقنة في واحدة من نهاية الشعرية وببطء دفع المكبس حقنة لإجبار معدنية من الحقنة في الشعيرات الدموية. نضع الشعرية شغل على حامل مخصص يتألف من البولى (PMMA). صاحب اثنين من الخزانات، واثنين من الأخاديد لتأمين الشعرية، واثنين من الثقوب لإدراج الأسلاك، وأيضا لديه خيار لشريط الحاكم، كما هو مبين في الشكل 3 B. بالكهرباء (مثل مائي فلوريد الصوديوم) إضافة إلى الخزان بعد حقن المعدن يربط القطب الموجب إلى نهاية الشعرية، كما هو مبين في الشكل 3 C. المعدن داخل أنبوب الاتصالات القطب المضاد على الطرف الآخر من الشعيرات الدموية لإكمال الدائرة. تطبيق 1V التحيز الحد يسبب معدنية لسحب والابتعاد عن الأنود، كما هو مبين في الشكل 3 D. وفي وقت لاحق، نقيس سرعة انسحاب بمقارنة طرحأيون المعدن مع الاحترام لآخر. ويظهر أحد هذه المؤامرة سرعة في الشكل 3 E. سرعة يضمحل كما يتحرك المعدن بعيدا عن القطب الموجب. ويرجع ذلك إلى زيادة في المقاومة الكهربائية بين الأنود والمعدن السائل 21 من هذا الاضمحلال السرعة.

الشكل 1
الشكل 1. (A) قطرة EGaIn غارقة في 1 M هيدروكسيد الصوديوم، مع الأسلاك النحاسية تعلق على انخفاض والبلاتين مكافحة القطب شبكة في الحل. ط) إمكانية A -1 V تطبيقها على انخفاض تسبب المعدن حبة فوق وتنتج الهيدروجين على سطح المعدن. ب) A 2.5 V إمكانية تطبيقها على انخفاض تحرض على الانتشار. (ب) منحنى electrocapillary من انخفاض EGaIn في 1 M هيدروكسيد الصوديوم. الجانب الاختزالية (الفولتية أدناه -1.4 V مقابل حج / أجكل) يظهر electrocapillarity التقليديةالسلوك، بينما يظهر الجانب الأكسدة انخفاض كبير في التوتر السطحي. 1B الشكل المعتمد من المرجع 1 (حقوق الطبع والنشر 2014، والأكاديمية الوطنية للعلوم، الولايات المتحدة الأمريكية). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2. شعري حقن المعدن السائل باستخدام التحيز التأكسدي. (A) قطرة اتصالات المعادن السائلة الانفتاح على أنبوب شعري مليئة بالكهرباء. (B) يتم محاذاة أنبوب ودفعت ضد الهبوط. A مسح يزيل كميات زائدة من بالكهرباء. (C) وصفت صورة هذا التجريبية مجموعة المتابعة. (D) تطبيق +1 V لهذا المعدن يقلل من التوتر السطحي من المعدن عن طريق OXID السطحأوجه، ويؤدي التدفق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. (A) A قطرة من المعدن السائل في 1 M ناف الحل. ط) يسمح أكسيد ذلك، عجن غير كروية مستقرة في الحل. ب-ج) تطبيق إمكانية -1 V يسبب المعدن حبة فوق. (B) والعرف الركيزة الاكريليك اثنين من الخزانات إلى التي يتم إدراج الأقطاب. A 70 مم طويل، 1 مم الزجاج الشعرية ID مليئة EGaIn يمتد الخزانات اثنين. الركيزة اثنين من الأخاديد لتناسب هذه الشعرية بحزم. وأضاف (C) قطرة بالكهرباء إلى خزان واحد، ويتم ترك الخزان الآخر كما هو. فقاعات النموذج، والتي يمكن أن يكون الحد الأدنى باستخدام إبرة طرف الجميلة في بعض الأحيان. ( (E) سحب السرعة من المعدن السائل من الشعرية بوصفها وظيفة من الزمن. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

يتحكم هذا الأسلوب التوتر السطحي للمعادن على أساس الغاليوم السائلة باستخدام الفولتية صغيرة لدفع ترسب وإزالة أكسيد السطح. على الرغم من أن الأسلوب يعمل فقط في حلول بالكهرباء، أنها بسيطة، ويعمل في مجموعة واسعة من ظروف مختلفة، ولكن هناك الدقيقة الجدير بالذكر. في غياب الجهد الكهربائي، المحاليل الحمضية والأساسية على حد سواء أحفر بعيدا أكسيد 27. تطبيق إمكانات المؤكسدة يقود تشكيل أكسيد السطح في كل الشوارد المائية، بما في ذلك المحاليل الحمضية والأساسية. ومع ذلك، حل أكسيد في المحاليل الحمضية أو القاعدية يتنافس مع ترسب أكسيد لمنع الإفراط في تراكم طبقة أكسيد. تشكيل طبقة أكسيد سميكة يمنع تدفق، ويفترض منذ أكسيد يوفر حاجز الميكانيكية للحركة. هذا تثبيط يمكن أن يكون ضارا أثناء نشر، ولكن أيضا يوفر طريقة لتثبيت شكل من المعدن.

e_content "> التوتر السطحي يختلف باستمرار بوصفها وظيفة من إمكانات، والتوتر السطحي هو أكبر إزاء احتمال أن يزيل أكسيد سطح الإمكانيات التي هي أكثر مختزلة (أكثر سلبية) سوف تنخفض قليلا التوتر السطحي بسبب electrocapillarity الكلاسيكية. (راجع ، الشكل 1B). ويستمر هذا الانخفاض بوصفها وظيفة من إمكانات حتى العمليات Faradaic (على سبيل المثال تشكيل الهيدروجين) تحدث عند السطح.

في المقابل، انخفض التوتر السطحي بشكل ملحوظ في القدرة حيث الأشكال أول أكسيد (راجع الشكل 1B). زيادة (إيجابية) إمكانية تواصل خفض التوتر السطحي، ويفترض بسبب تغطية أفضل من أكسيد السطح. أبعد من "إمكانية حرجة"، وسوف يبدأ انخفاض نشر دون ملزمة، وتشكيل أنماط مثل كسورية والمهاجرة نحو مكافحة الكهربائي. استمرت هذه الحركة حتى تتم إزالة الجهد، أو حتى يكسر انخفاض يخدعبراعة مع القطب العمل. ما زالت قيد التحقيق الأشكال التي تشكلت في المنطقة فوق إمكانات حرجة لكنها تنسب إلى التوتر السطحي كونها قريبة من الصفر. تفاصيل يمكن العثور عليها في الأدب 1.

التوتر السطحي للمعدن حساس للتغيرات صغيرة في التيار الكهربائي. ولذلك فمن المهم أن يكون الاتصال الكهربائية ممتازة مع المعدن والسيطرة على إمكانية تطبيقها على المعدن السائل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن وجود حمض أو قاعدة في الإلكتروليت يتنافس مع الأكسدة الكهروكيميائية عن طريق إذابة طبقة أكسيد. وتضيف هذه العملية المتنافسة مستوى من التعقيد. وفهم العملية المعقدة التي تحدث في واجهة تكون حاسمة للنهوض بهذه الطريقة.

الأكسدة والعمليات الاختزالية يمكن الجمع بين لتوفير السيطرة على تدفق المعادن ويخرجون من الشعيرات الدموية. على سبيل المثال، فمن الممكن استخدام إمكانات التأكسدي للحقن المعدنية في capillarالمنشأ (من خلال خفض التوتر السطحي للالغضروف المفصلي الرائدة، كما هو مبين في الشكل 2)، ثم استخدام إمكانات الاختزالية للحث على المعدن للتراجع عن الشعرية (عن طريق زيادة التوتر السطحي للالغضروف المفصلي الرائدة، كما هو مبين في الشكل 3) 28،29. حدود وقدرات هذا النهج لم يتحدد بعد بشكل كامل، على الرغم من حقن يبدو أن أبطأ من الانسحاب. عن طريق الأكسدة لحقن المعادن تتضمن ثلاث خطوات حاسمة. أولا، ينبغي بريفيليد الشعرية مع بالكهرباء، والتي نعتقد أنها يخلق رقيقة "طبقة زلة" للمياه بين المعدن وجدران الشعيرات الدموية مثل المعادن. ثانيا، عن طريق الحقن المعدن إلى الشعرية يتطلب الاتصال مطاردة بين حبة من المعدن ونهاية الشعرية، كما هو مبين في الشكل (3). ويضمن هذا الاتصال الحميم حدوث انخفاض محتمل في بالكهرباء / واجهة معدنية ويمنع مسارات للتهمة ل تجاوز هذا الباحثerface.

ومن الممكن استخدام أنظمة إما يومين أو ثلاثة القطب الكهربائي للسيطرة على التوتر السطحي من المعدن. النظام يومين الكهربائي هو أبسط، لا تتطلب سوى القطب العمل، ومكافحة الكهربائي، ومصدر التيار الكهربائي. على الرغم من أن النظام يومين القطب هو مناسب للمظاهرات، وإمكانيات مضادة الكهربائي يمكن أن ينجرف. تستفيد القياسات الكهروكيميائية الحساسة من استقرار النظام الكهربائي الثلاثة (أي القطب مرجعية وpotentiostat). يسمح هذا النظام لتحسين السيطرة على الجهد، ويوفر قراءة دقيقة للتيار.

القدرة على التحكم في التوتر السطحي باستخدام الفولتية متواضعة هي وسيلة واعدة للسيطرة على الشكل، والتدفق، والموقف من الهياكل المعدنية في شبه مم مقياس طول. ونحن نعتقد قد يكون هذا الأسلوب مفيدا لإنشاء الهياكل المعدنية التي تغير شكلها حسب الطلب، والتي قد تجد تطبيقات في شكل reconfiguraالالكترونيات بلي، هوائيات الانضباطي، ومفاتيح، مكونات الموائع الدقيقة، optofluidics، والفوقية المواد تحويل شكل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Eutectic Gallium Indium Indium Corporation
Sodium Hydroxide Fisher Scientific 2318-3
Hydrochloric Acid Fisher Scientific A481-212
Sodium Fluoride Sigma-Aldrich 201154
Optical Adhesive Norland NOA81
Polydimethylsiloxane (Sylgard-184) Dow Corning Silicone Elastomer Kit
Borosilicate Glass Capillaries Friedrich and Dimmoch B41972
Ag/AgCl Reference Electrode Microelectrodes Inc. MI-401F
Voltage Source Keithley 3390
Potentiostat Gamry Ref 600
Laser Cutter Universal Laser Systems VLS 3.50

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).
A طريقة لمعالجة التوتر السطحي من المعدن السائل عن طريق الأكسدة السطحية والحد من
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Eaker, C. B., Khan, M. R., Dickey, M. D. A Method to Manipulate Surface Tension of a Liquid Metal via Surface Oxidation and Reduction. J. Vis. Exp. (107), e53567, doi:10.3791/53567 (2016).More

Eaker, C. B., Khan, M. R., Dickey, M. D. A Method to Manipulate Surface Tension of a Liquid Metal via Surface Oxidation and Reduction. J. Vis. Exp. (107), e53567, doi:10.3791/53567 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter