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Chemistry

Eine Methode, die Oberflächenspannung eines Liquid Metal manipulieren via Oberfläche Oxidation und Reduktion

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

Abstract

Steuern der Grenzflächenspannung ist eine wirksame Methode zur Manipulation der Form, Position und den Fluss von Fluiden bei Submillimeterbereich Längenskalen, wobei die Grenzflächenspannung ist eine dominierende Kraft. Eine Vielzahl von Verfahren existieren zur Steuerung der Grenzflächenspannung von wässrigen und organischen Flüssigkeiten auf dieser Skala; Jedoch wurden diese Techniken Dienstprogramm für flüssige Metalle aufgrund ihrer großen Grenzflächenspannung begrenzt.

Flüssige Metalle weich, elastisch und form rekonfigurierbare Komponenten in elektronischen und elektromagnetischer Geräte bilden. Obwohl es möglich ist, um diese Flüssigkeiten durch mechanische Verfahren (zB Pumpen) zu manipulieren, sind elektrische Verfahren einfacher zu miniaturisieren, zu steuern und zu realisieren. Allerdings haben die meisten elektrischen Techniken ihre eigenen Einschränkungen: Electrowetting-on-dielektrischen groß (kV) Potentiale für bescheidene Betätigung kann Elektrokapillarität relativ kleine Änderungen in der Oberflächenspannung beeinflussen und erfordert kontinuierliche electrowetting an Steckern des flüssigen Metalls in Kapillaren beschränkt.

Hier stellen wir ein Verfahren zum Betätigen Gallium und Gallium basierenden flüssigen Metalllegierungen mittels einer elektrochemischen Oberflächenreaktion. Steuerung des elektrochemischen Potentials an der Oberfläche des flüssigen Metalls in Elektrolyten schnell und reversibel ändert die Grenzflächenspannung um mehr als zwei Grßenordnungen (̴500 mN / m, um in der Nähe von Null). Weiterhin erfordert dieses Verfahren nur eine sehr bescheidene Potential (<1 V) relativ zu einer Gegenelektrode angelegt. Die resultierende Änderung in der Spannung ist im Wesentlichen auf die elektrochemische Abscheidung einer Oxidschicht auf der Oberfläche, die als ein oberflächenaktives Mittel wirkt; Entfernung des Oxids steigt die Grenzflächenspannung, und umgekehrt. Diese Technik kann in einer Vielzahl von Elektrolyten angewendet werden und ist unabhängig von dem Substrat, auf dem sie ruht.

Protocol

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1. Manipulation der Grenzflächenspannung des flüssigen Metalls in Electrolyte

  1. Oxidation
    1. Gießen einer wässrigen Elektrolyten (sauer oder basisch) in eine Petrischale. Um sicherzustellen, daß das Oxid vollständig entfernt wird, verwenden eine Säure oder Base mit einer Konzentration von mehr als 0,1 M 24 (beispielsweise 1 M NaOH oder 1 M HCl). Verwenden Sie ein Volumen, das die Schale bis zu einer Tiefe von ca. 1-3 mm füllen wird. Vermeiden Sie Kontakt mit der Haut mit diesen Lösungen.
    2. Mit einer Spritze, um einen Tropfen (optimal zwischen 10-500 ul) einer Gallium-Basis-Legierung im Elektrolyt zu platzieren. Beispiele hierfür sind eutektische Gallium-Indium (eGain) oder Gallium-Indium-Zinn (Galinstan). Wenn reinem Gallium verwendet wird, zu erwärmen, daß der Elektrolyt mindestens 30 ° C, um ein Einfrieren zu verhindern.
    3. Platzieren eines Kupferdrahtes in das flüssige Metall auf die Arbeitselektrode herzustellen. Einen Kupferleiter mit einem Durchmesser kleiner als der der Tropfen, und mit einem Digital-Multimeter nach den Anweisungen des Herstellers, um ENsure, dass der Draht einen Widerstand von <1 Ω. In Säure oder Base, wird das flüssige Metall der Kupfer benetzen und dadurch ein ausgezeichneter elektrischer Kontakt.
    4. Platzieren eines leitenden Gegenelektrode (beispielsweise Kupfer, Graphit, Platin, etc.) in die Lösung, jedoch nicht in Kontakt mit dem flüssigen Metall. Wenn die Gegenelektrode einen Widerstand von <1 Ω, sind seine Abmessungen irrelevant.
    5. Verbinden Sie die Kabel mit einer Spannungsquelle und wenden ein positives Potential an das flüssige Metall. Für kleine Form Verformung gelten positive Spannungen <1 V. Bei größeren Form Deformation (und die Bewegung des flüssigen Metalls in Richtung der Gegenelektrode), gelten> 1 V.
      Anmerkung: Die Konzentration der Lösung und die Entfernung des Abfalls von der Gegenelektrode die Spannung erforderlich, Veränderungen der Grenzflächenspannung zu induzieren, da die Rate der elektrochemischen Oberflächenoxidation konkurriert mit der Rate von Oxidauflösung durch den Elektrolyten zu diktieren.
    Die Ermäßigung
    1. Ausgeben einer Abfall (10-500 ul) des flüssigen Metalls von einer Spritze in eine leere Petrischale.
    2. Gießen einer neutralen wässerigen Elektrolyten in die Petrischale (beispielsweise 1 M Natriumfluorid (NaF) oder 1 M Natriumchlorid (NaCl)) auf ein Niveau, das Metall eintaucht.
      Anmerkung: Die Verwendung eines sauren (pH <3) oder basischen Lösung (pH> 10) bewirkt, dass das Oxid, spontan zu lösen.
    3. Platzieren eines Kupferdrahtes in das flüssige Metall als eine Arbeitselektrode und eine stromführende Leitung (beispielsweise Kupfer) in den Elektrolyten, die als Gegenelektrode fungieren zu handeln.
    4. Verbinden Sie die Kabel mit einer Spannungsquelle und wenden Sie ein negatives Potential an das flüssige Metall. Gelten etwa -1 V, um die Oberflächenoxide zu entfernen, und daß das Metall aus dem Substrat entnetzen. Das Metall sollte auf der Seite, die der Gegenelektrode entnetzen.
    5. Gelten negativeren Potentialen (<-1 V), um die Oxidschicht vollständig zu entfernen. Vermeiden Sie die Anwendung exceslich große negative Spannungen an Wasserstoffblasen auf das flüssige Metall erscheinen aufgrund der Reduktion des Elektrolyten zu verhindern.

2. Oberflächenspannungsmessung über Trauben Droplet

  1. Mit Hilfe eines Laser-Cutter oder Fräswerkzeug, schneiden einen direkten Weg von der Mitte bis zum Rand ein Stück Polymethylmethacrylat (PMMA) (~ 1 mm dick) Sie den Pfad zu schneiden nicht den ganzen Weg durch die Dicke der PMMA. nur etwa zur Hälfte geschnitten. Dieses Stück wird als Substrat für das Flüssigmetall zu dienen. Andere flach und elektrisch isolierende Materialien, wie Glas, Keramik oder Polymere können auch als Substrat dienen.
  2. Mit dem gleichen Werkzeug, schneiden Sie ein 1 mm 2 Loch durch die Mitte des PMMA.
  3. Verwenden Sie den Pfad als Leitfaden, führen Sie einen isolierten Kupferdraht nur mit der Spitze in die Mitte des PMMA ausgesetzt. Positionieren des Drahtes, so daß er über die PMMA-Oberfläche vorsteht. Verschließen Sie den Draht an Ort und Stelle mit einem dichten Klebstoff. Schneidender Draht gerade über die Oberfläche des PMMA, aber lassen Sie es nicht zu weit zu verlängern (über ~ 100 & mgr; m), oder es wird die Form der Tropfen stören.
  4. Kleben Sie die PMMA-Stück nach unten in einem transparenten Behälter, durch die ein klares Bild erhalten werden kann. Füllen Sie den Behälter mit 1 M NaOH, und legen Sie eine 25-50 ul Tropfen flüssigen Metalls auf dem hervorstehenden Kupferdraht. Dieser Draht wird als Arbeitselektrode dienen und das Tröpfchen benetzen.
  5. Platzieren eines Platinnetzes Gegenelektrode und einer gesättigten Silber / Silberchlorid (Ag / AgCl) Referenzelektrode in der Lösung. Verbinden alle Elektroden mit einem Potentiostaten.
  6. Platzieren des Behälters in einem Kontaktwinkel-Goniometer, so dass das Oberflächenprofil des Tropfens deutlich sichtbar ist. Verwenden des Potentiostaten, um die Spannung in Bezug auf die Referenzelektrode zu steuern, und Verwenden des Goniometers um die Form und damit die Grenzflächenspannung des Tropfens zu messen. Stellen Sie sicher, dass die Winkelmesser für die Messung von ruhenden Tropfens Grenz Tensi istam; es ist auch möglich, benutzerdefinierte achsensymmetrischen Formanalyse Drop Bilder aus einem horizontal angebrachten Kamera 25 aufgenommen zu verwenden.

3. Kapillarinjektion

  1. Füllen einer Glaskapillare mit einer Lösung von 1 M NaOH. Kapillardurchmesser sollte ~ 1 mm.
  2. Platzieren eines Endes der Kapillare bündig mit einem Tropfen des flüssigen Metalls. Ausrichten der Kapillaren, so daß sie parallel zur Oberfläche des Tisches (dh senkrecht zur Schwerkraft) ist. Keine Luftspalten zwischen dem flüssigen Metall Abfall und Elektrolyt-gefüllten Kapillare. Mit einem Wischen, Tupfen Sie überschüssiges Elektrolyt, der während der Montage ausgetreten sein könnten.
  3. Platzieren eines Kupferdrahtes (Arbeitselektrode) in dem flüssigen Metall und einer leitenden Gegenelektrode (zB Kupferdraht) in das offene Ende der Kapillare, so dass er in Kontakt mit der Lösung.
  4. Verbinden Sie die Kabel mit einer Spannungsquelle und wenden ein positives Potential an das flüssige Metall. Das flüssige Metall sollte Füllen des c beginnenapillary (vermeiden Sie große Potenziale, die überschüssige Blasenbildung auf der Gegenelektrode verursacht).

4. Kapillar Widerrufsrecht

  1. Nutzen softlithographischer 26 und Replika Formtechniken zur mikrofluidischen Kanälen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) besteht herzustellen. Herzustellen Kanäle, die etwa 100 bis 1.000 & mgr; m breit sind, 100 um groß, und 25 bis 65 mm lang.
    Hinweis: Kanalabmessungen 1000 um breit, 100 & mgr; m groß und 65 mm langen Kanal produziert konsistente Ergebnisse, aber andere können auch funktionieren. Alternativ können Glaskapillaren (beispielsweise 1 mm Durchmesser, Borosilikatglas) anstelle des PDMS Mikrokanälen.
  2. Injizieren Flüssigmetall entweder manuell oder mit Hilfe einer Spritzenpumpe, um den Kanal vollständig zu füllen (dh 6,5 mm 3 für eine 1000 um breit, 100 & mgr; m groß und 65 mm langen Kanal).
  3. Mit einem Wattestäbchen, das in 1 M NaOH oder 1 M HCl eingetaucht worden ist, entfernen Sie überschüssigen Mengen an liquid Metall von dem Einlass (und, falls erforderlich, der Auslass) des Kanals, so dass das Metall weiterhin bündig mit der oberen Oberfläche der PDMS.
  4. Unterzutauchen einem Ende des Kanals in dem Elektrolyten (beispielsweise 1 M NaCl) und legen die Anode (beispielsweise Drähte aus Kupfer, Platin oder Wolfram), daß sie den Elektrolyt aber nicht das Metall berührt.
  5. Am anderen Ende des Kanals, an einen getrennten Elektrode (zB Cu-Draht) auf die Metalloberfläche, so daß flüssiges Metall selbst als Kathode wirkt.
  6. Verbinden Sie diese Leitungen (dh Anode und Kathode) mit einer Spannungsquelle oder Potentiostaten, und füllen Sie den Stromkreis. Für einen Drei-Elektroden-System, legen Sie die Referenzelektrode, so dass er kaum taucht in den Tropfen des Elektrolyten.
  7. Vor der Anwendung eines Reduktionsspannung, montieren Sie eine Videokamera auf einem Stativ oder in einem Mikroskop, um die Experimente zu erfassen. Verwenden Sie Autofokus-Modus, um alles im Blick zu bekommen. Nutzen Sie den manuellen Fokus, um eine bessere Kontrolle zu haben überSchärfentiefe, Weißabgleich und ISO. Nutzen Sie gegebenenfalls höhere F Anschlag (dh 11 oder höher), 1/100 Shutter, automatischer Weißabgleich und Auto ISO.
  8. Starten Sie die Aufnahme des Experiments. Gelten etwa -1 V, um das Flüssigmetall aus den Mikrokanälen zu entziehen. Schalten Sie die Spannung ab, um das Metall verursachen Bewegung in neutralen Elektrolyten zu stoppen.

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Representative Results

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Figur 1 A zeigt ein Beispiel eines einfachen Zwei-Elektroden-Verfahren für die Oxidation und Reduktion. In diesem Fall wird ein 70 ul Tropfen des flüssigen Metalls in einer 1 M NaOH-Lösung in Kontakt gebracht einen Kupferdraht eine elektrische Verbindung zu etablieren. Das 1 M NaOH beseitigt die Oberflächenoxidschicht von dem Metall und ermöglicht es dem Metall zu perlen aufgrund ihrer Grenzflächenspannung. Aufbringen einer 2,5-V-Potential zwischen dem Tropfen und ein Platinnetz Gegenelektrode bewirkt, daß die Oberfläche des Tropfens zu oxidieren und der Abfall verbreitet bei der Migration in Richtung der Gegenelektrode (1A ii). Aufbringen einer -1 V Potentials an das flüssige Metall entfernt das Oxid (zusätzlich zu der Entfernung des Oxids von NaOH), wird das Metall zum Auffädeln auf, und erzeugt Wasserstoffblasen auf der Abfall aufgrund des reduktives Potential (Abbildung 1 Ai). Wasserstoffblasen an der Platin-Gegenelektrode aufgrund der kostenlosen elektrochemischen Halbreaktion, die vermutlich reduziert Protonen in Lösung.

Ein elektrokapillaren Kurve (Abbildung 1 B) zeigt den dramatischen Rückgang der effektiven Oberflächenspannung, wenn die Oxidschicht bildet. Diese Daten wurden in 1 M NaOH unter Verwendung einer gesättigten Ag / AgCl-Referenzelektrode gemacht. In diesem Fall war das Ruhepotential etwa -1.5 V vs. Ag / AgCl, und die Oxidschicht in der Nähe von -1,3 V gegen Ag / AgCl (durch die gepunkteten Linien angedeutet) ausgebildet ist. Die Verwendung von 1 M HCl ergibt ähnliche phänomenologische Verhalten, aber die Bildung von Blasen an der Oberfläche des Metalls, selbst bei oxidative Potential macht eine visuelle Analyse schwierig.

In Abwesenheit des Oxids (das durch 1 M NaOH entfernt wird, zum Beispiel), ist das bloße flüssige Metall eine hohe Oberflächenspannung Flüssigkeit und nimmt eine Kugelform, wie in Figu gezeigtenRe 2 A. Ein Tropfen des flüssigen Metalls liegt benachbart zu einer Kapillare mit 1 M NaOH gefüllt. Wischtuch entfernt überschüssigen Elektrolyten aus dem Boden des Tröpfchens, wie durch Figur 2 B gezeigt. Ein Kupferdraht die Tröpfchen berührt, um die Anode und die andere Elektrode zu bilden (dh Kathode; in 2 nicht gezeigt) ruhen in dem Elektrolyten gefüllte Kapillarröhrchen. Der Elektrolyt in der Kapillare den Stromkreis zwischen den beiden Elektroden, wie in Figur 2 C dargestellten. Aufbringen +1 V erniedrigt die Oberflächenspannung an der Grenzfläche führt und bewirkt, dass das flüssige Metall, die Kapillare zu füllen, wie in 2 D dargestellt. Dieses Experiment funktioniert am besten, wenn das Metall mit dem Ende des Rohres.

Im Gegensatz dazu beseitigt ein Reduktions Vorspannen der Oxidhaut und gibt das michtal zu einem Zustand großer Oberflächenspannung. Ein solches Beispiel ist in Figur 3 A gezeigt. Die Oxidhaut stabilisiert die Form einer Pfütze des flüssigen Metalls in Neutralelektrolyt (3 Ai) getaucht. Anwendung eines Reduktions Vorspannung beseitigt die Oxidhaut, wodurch das Metall zu Wulst wie in Figur 3 A gezeigt, (ii-iii). Wir nennen diese Technik "recapillarity", da es verwendet reduktive Potentiale an Kapillare Verhaltensweisen 21 zu induzieren. Die andere Implikation dieses Begriffs ist, dass kapillare Verhalten kann ein- oder ausgeschaltet ist mehrmals gedreht werden. Beispielsweise kann EGain aus PDMS mikrofluidischen Kanälen durch Reduzieren des Oxids, die sonst stabilisiert das Metall in den Kanälen (wie in 4.1 beschrieben) herausgezogen werden. 3B-D stellt eine solche Versuchssequenz.

Wir fügen einSpritzennadel an einem Ende der Kapillare und langsam drücken den Kolben der Spritze, um das Metall von der Spritze in der Kapillare zu zwingen. Wir legen die gefüllte Kapillare auf einem kundenspezifischen Halter aus Polymethylmethacrylat (PMMA) zusammen. Der Halter weist zwei Vorratsbehälter, zwei Nuten, die Kapillare, zwei Löcher, um Drähte Einsatz zu sichern, und hat auch die Möglichkeit, auf das Band ein Lineal, wie in Figur 3 B gezeigt. Elektrolyt (zB wässrige Natriumfluorid) zugegeben, um den Behälter nach dem Einspritzen der Metall verbindet die Anode an das Ende der Kapillare, wie in Figur 3 C gezeigt ist. Das Metall im Inneren des Rohres in Kontakt mit der Gegenelektrode auf dem anderen Ende der Kapillare, um die Schaltung zu vervollständigen. Anwenden 1V reduzieren Bias bewirkt, dass die Metall, sich zurückzuziehen und sich von der Anode, wie in Abbildung 3 D dargestellt. Später haben wir den Rückzug Geschwindigkeit zu messen, indem die postulierenIonen des Metalls mit Bezug auf die Zeit. Eine solche Geschwindigkeitsdiagramm ist in Abbildung 3 E gezeigt. Die Geschwindigkeit abnimmt, wenn das Metall bewegt sich weg von der Anode. Diese Geschwindigkeit Zerfall ist auf die Zunahme des elektrischen Widerstands zwischen der Anode und dem flüssigen Metall 21.

Abbildung 1
Figur 1 (A) Ein Tropfen EGain in 1 M NaOH eingetaucht ist, mit einem Kupferdraht mit dem Tropfen und einer Platingegenelektrode Netz in Lösung gebunden. i) A -1 V Potential an die Tropfen aufgebracht wird das Metall zum Auffädeln und erzeugt Wasserstoff auf der Oberfläche des Metalls. ii) Eine 2,5 V Potential an die Tropfen aufgebracht induziert Verbreitung. (B) Ein elektrokapillarischen Kurve eines EGain Abfall in 1 M NaOH. Die reduktive Seite (Spannungen unter -1,4 V gegen Ag / AgCl) zeigt traditionelle ElektrokapillaritätVerhalten, während die oxidative Seite zeigt einen deutlichen Rückgang der Oberflächenspannung. 1B von Referenz 1 (Urheberrecht 2014 National Academy of Sciences, USA) übernommen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Kapillar Einspritzung des flüssigen Metalls unter Verwendung oxidativer Bias. (A) Ein Tropfen des flüssigen Metalls in Kontakt mit der Öffnung zu einem Kapillarrohr mit Elektrolyt gefüllt. (B) Das Rohr wird ausgerichtet und drückte gegen die Tropfen. Ein Wischen entfernt die überschüssige Menge an Elektrolyten. (C) Ein Bild aus diesem Versuchsaufbau bezeichnet. (D) Anwendung von +1 V an die Metall senkt die Oberflächenspannung des Metalls über Oberflächen oxidation und induziert Fluss. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Figur 3 (A) Ein Tropfen des flüssigen Metalls in 1 M NaF-Lösung. i) Das Oxid kann eine stabile, nicht-sphärische Pfütze in der Lösung. ii-iii) Aufbringen einer -1 V-Potential bewirkt, dass das Metall zu perlen. (B) Ein Maß Acryl Substrat zwei Stauseen, in die Elektroden eingelegt sind. Ein 70 mm lang, 1 mm ID Glaskapillare mit eGain gefüllt erstreckt sich über die beiden Reservoirs. Das Substrat weist zwei Nuten, diese Kapillare fest passen. (C) Ein Tropfen von Elektrolyt in ein Reservoir gegeben, und der andere Behälter belassen wird,. Manchmal bilden sich Blasen, die durch die Verwendung eines feinen Spitze Nadel minimiert werden kann. ( (E) Widerrufsrecht Geschwindigkeit des flüssigen Metalls aus der Kapillare als eine Funktion der Zeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

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Dieses Verfahren steuert die Oberflächenspannung von Gallium basierenden flüssigen Metallen mit kleinen Spannungen, um die Abscheidung und Entfernung einer Oberflächenoxidschicht zu fahren. Obwohl das Verfahren funktioniert nur in Elektrolytlösungen, es ist einfach und arbeitet in einer Vielzahl von verschiedenen Bedingungen, aber es gibt Feinheiten erwähnenswert. In Abwesenheit von elektrischem Potential, sowohl saure als auch basische Lösungen Wegätzen des Oxids 27. Die Anwendung eines Oxidationspotential treibt die Bildung von Oberflächenoxid in allen wässrigen Elektrolyten, einschließlich sauren und basischen Lösungen. Auflösung des Oxids in sauren oder basischen Lösungen konkurriert jedoch mit der Abscheidung des Oxids auf übermäßigen Aufbau der Oxidschicht zu verhindern. Die Bildung einer dicken Oxidschicht hemmt Strömung, vermutlich da das Oxid eine mechanische Barriere gegen die Bewegung. Diese Hemmung kann beim Aufspreizen schädlich sein, aber auch ein Verfahren, um die Form des Metalls zu stabilisieren.

e_content "> Die Grenzflächenspannung kontinuierlich variiert als Funktion des Potentials. Die Oberflächenspannung am größten ist auf dem Potential, das das Oberflächenoxid entfernt. Potenziale, die durch klassische Elektrokapillarität reduktiver (negativer) die Oberflächenspannung leicht ab (vgl , 1B). Diese Abnahme setzt sich als Funktion des Potentials bis Faradaysche Prozesse (zB Wasserstoffbildung) auftreten, an der Oberfläche.

Im Gegensatz dazu sinkt die Oberflächenspannung signifikant auf dem Potential, wo die erste Oxidschicht bildet (vgl 1B). Erhöhen der (positiven) Potential weiterhin die Oberflächenspannung, was vermutlich auf eine bessere Abdeckung des Oberflächenoxids. Jenseits einer "kritisches Potential", wird der Tropfen beginnen verbreiten ohne Grenze und bildet Fraktal ähnlichen Muster und die Migration in Richtung der Gegenelektrode. Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis die Spannung entfernt wird, oder bis der Tropfen bricht conKontakt mit der Arbeitselektrode. Die in dem Bereich oberhalb des kritischen Potentials gebildet Formen werden noch untersucht, aber die Oberflächenspannung als nahe Null zurückzuführen. Details finden sich in der Literatur 1 gefunden werden.

Die Grenzflächenspannung des Metalls ist empfindlich gegenüber kleinen Änderungen in der Spannung. Es ist daher wichtig, um eine ausgezeichnete elektrische Kontakt mit dem Metall und der Kontrolle über das Potential, die flüssigen Metalls angewendet werden. Darüber hinaus ist die Anwesenheit von Säure oder Base in der Elektrolyt konkurriert mit elektrochemische Oxidation durch Auflösen der Oxidschicht. Diese konkurrierenden Prozess fügt eine Ebene der Komplexität; Verstehen der komplexen Prozess, der an der Grenzfläche auftreten, wird entscheidend zum Vorschieben dieses Verfahren sein.

Oxidative und reduktive Verfahren können kombiniert werden, um die Kontrolle über die Strömung des Metalls in die und aus der Kapillare zu schaffen. Beispielsweise ist es möglich, Oxidationspotentiale zu verwenden, um Metall in Kapillar injizierenn (durch Senken der Grenzflächenspannung des führenden Meniskus, wie es in Figur 2 gezeigt), und dann reduktive Potentialen, um das Metall zu veranlassen, aus der Kapillare zurückziehen (durch Erhöhung der Grenzflächenspannung des führenden Meniskus, wie es in Figur 3 gezeigt) 28,29. Die Grenzen und Möglichkeiten dieses Ansatzes sind noch nicht vollständig bestimmt werden, auch wenn Injektion scheint langsamer als Rückzug zu sein. Verwendung Oxidation zu Metall injizieren umfasst drei wichtige Schritte. Zunächst sollte der Kapillare mit Elektrolyt, der wir glauben, schafft eine dünne "Gleitschicht" von Wasser zwischen dem Metall und den Wänden der Kapillare als Metall vorgefüllt sein. Zweitens, das Einspritzen des Metalls in eine Kapillare erfordert bündigen Kontakt zwischen einem Wulst aus dem Metall und dem Ende der Kapillare, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dieser enge Kontakt stellt der Spannungsabfall tritt an der Elektrolyt / Metall-Grenzfläche und verhindert die Pfade für Ladung Umgehung dieses interface.

Ist es möglich, entweder mit zwei Elektroden oder Dreielektrodensysteme verwenden, um die Oberflächenspannung des Metalls zu steuern. Mit einem Zweielektrodensystem ist das einfachste, nur eine Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die Spannungsquelle erfordert. Obwohl die Zwei-Elektroden-System eignet sich für Vorführungen, kann das Potential der Gegenelektrode zu driften. Empfindlichen elektrochemischen Messungen profitieren von der Stabilität der Dreielektrodensystem (dh eine Referenzelektrode und ein Potentiostat). Dieses System ermöglicht eine bessere Kontrolle der Spannung und liefert eine genaue Messung des Stroms.

Die Fähigkeit, die Grenzflächenspannung mit geringen Spannungen zu steuern ist ein vielversprechendes Verfahren zur Steuerung der Form, fließen, und die Position der Metallstrukturen auf der sub-mm Längenskala. Wir glauben, dass diese Technik kann nützlich für die Erstellung von metallischen Strukturen, die Form auf Anforderung zu ändern, welche Anwendungen in Form reconfigura finden kannble Elektronik, abstimmbare Antennen, Schalter, mikrofluidischer Komponenten, Optofluidik und Formwandler Meta-Materialien.

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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

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References

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Eine Methode, die Oberflächenspannung eines Liquid Metal manipulieren via Oberfläche Oxidation und Reduktion
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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).

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