Waiting
Login processing...

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

Chemistry

שיטה למניפולציות מתח פנים של מתכת נוזלית באמצעות חמצון פני שטח והפחתה

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

Abstract

שליטה מתח interfacial היא שיטה יעילה לטיפול בצורה, מיקום, והזרימה של נוזלים בסולמות אורך תת מילימטר, שבו מתח interfacial הוא כוח דומיננטי. מגוון שיטות קיימות לשליטה במתח interfacial של נוזלים מימיים ואורגניים בקנה מידה זה; עם זאת, טכניקות אלה כלי למתכות נוזליים מוגבלות בשל מתח interfacial הגדול שלהם.

מתכות נוזליים יכולות ליצור רכיבים רכים, מתיחה, וצורה-reconfigurable במכשירים אלקטרוניים ואלקטרו-מגנטיים. למרות שניתן לתפעל נוזלים אלה באמצעות שיטות מכאניות (למשל, שאיבה), שיטות חשמליות קלות יותר למזער, שליטה, וליישם. עם זאת, רוב טכניקות חשמל האילוצים שלהם: הרטבה חשמלית-על-דיאלקטרי דורשת פוטנציאלים גדולים (ק) להפעלה ללא צנועה, electrocapillarity יכול להשפיע על שינויים קטנים יחסית במתח interfacial, וele הרציףctrowetting מוגבל לתקעים של המתכת הנוזלית בנימים.

כאן, אנו מציגים שיטה לactuating גליום וסגסוגות מתכת נוזלית מבוסס גליום באמצעות תגובת משטח אלקטרוכימיים. שליטה הפוטנציאל אלקטרוכימי על פני השטח של המתכת הנוזלית באלקטרוליט במהירות והפיך משנה את מתח interfacial על ידי יותר משני סדרי הגודל (̴500 MN / מ 'כמעט לאפס). יתר על כן, שיטה זו דורשת רק פוטנציאל מאוד צנוע (<1 V) מיושם ביחס לאלקטרודה דלפק. השינוי וכתוצאה מכך המתח נובע בעיקר מהתצהיר אלקטרוכימיים של שכבת תחמוצת פני השטח, הפועל כחומרים פעילי שטח; הסרת תחמוצת מגבירה את מתח interfacial, ולהיפך. טכניקה זו יכולה להיות מיושמת במגוון רחב של אלקטרוליטים ואינו תלוי במצע שעליו הוא מונח.

Protocol

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

1. מניפולציה של המתח interfacial של מתכת נוזלית באלקטרוליט

  1. חִמצוּן
    1. יוצקים אלקטרוליט המימי (חומצי או הבסיסי) לתוך צלחת פטרי. כדי להבטיח שהתחמוצת נמחקה לחלוטין, להשתמש חומצה או בסיס בריכוז העולה על 0.1 M 24 (לדוגמא: 1 M NaOH או 1 M HCl). השתמש בנפח שימלא את הצלחת עד לעומק של כ 1-3 מ"מ. הימנע פנייה העור עם פתרונות אלה.
    2. השתמש במזרק למקום טיפה (בצורה אופטימלית בין 10-500 μl) של סגסוגת מבוססת גליום באלקטרוליט. דוגמאות כוללות אינדיום גליום eutectic (EGaIn) או פח אינדיום גליום (Galinstan). אם נעשה שימוש בגליום טהור, לחמם את האלקטרוליט ללפחות 30 מעלות צלזיוס כדי למנוע הקפאה.
    3. מניחים חוטי נחושת למתכת הנוזלית להקים את האלקטרודה העבודה. השתמש בחוט נחושת בקוטר פחות מזה של הירידה, ולהשתמש מודד דיגיטלי על פי הוראות יצרן לדוארNsure שיש חוט התנגדות של <Ω 1. בחומצה או בסיס, המתכת הנוזלית תהיה להרטיב את הנחושת ובכך ליצור מגע חשמלי מצוין.
    4. הנח האלקטרודה נגדית ביצוע (למשל נחושת, גרפיט, פלטינה, וכו ') בפתרון, אך לא במגע עם המתכת הנוזלית. אם האלקטרודה הנגדית יש התנגדות של <1 Ω, ממדיה אינם רלוונטיים.
    5. חבר את החוטים למקור מתח ולהחיל פוטנציאל חיובי למתכת הנוזלית. לעיוות צורה קטנה, תחול מתח חיובי <V. 1 לעיוות גדולה יותר צורה (ותנועה של המתכת הנוזלית לכיוון האלקטרודה הנגדית), תחול> V. 1
      הערה: הריכוז של הפתרון והמרחק של הירידה מהאלקטרודה הנגדית להכתיב את המתח הדרוש כדי לגרום לשינויים במתח interfacial מאז קצב חמצון משטח אלקטרוכימיים מתחרה בשיעור של פירוק תחמוצת על ידי אלקטרוליט.
    צִמצוּם
    1. לוותר על ירידה (10-500 μl) של המתכת הנוזלית ממזרק לתוך צלחת פטרי ריקה.
    2. יוצקים אלקטרוליט המימי ניטראלי לצלחת פטרי (פלואוריד למשל 1 M נתרן (NAF) או 1 M נתרן כלורי (NaCl)) לרמה שמטביעה מתכת.
      הערה: השימוש בחומצי (pH <3) או פתרון בסיסי (pH> 10) יגרום תחמוצת לפזר באופן ספונטני.
    3. מניחים חוטי נחושת למתכת הנוזלית לפעול כאלקטרודה עבודה, וחוט ביצוע (למשל, נחושת) לאלקטרוליט לפעול כהאלקטרודה הנגדית.
    4. חבר את החוטים למקור מתח ולהחיל פוטנציאל שלילי למתכת הנוזלית. החל כ -1 V כדי להסיר את משטח תחמוצת ולגרום המתכת לdewet מהמצע. המתכת צריכה dewet בצד הקרוב להאלקטרודה הנגדית.
    5. החל פוטנציאלים שליליים יותר (<-1 V) כדי להסיר את שכבת תחמוצת לחלוטין. הימנע החלת excesמתח שלילי גדול בלעדית על מנת למנוע בועות מימן מלהופיע במתכת הנוזלית בשל הפחתה של אלקטרוליט.

מדידת מתח 2. שטח באמצעות נייחים אגל

  1. באמצעות חותך לייזר או כלי כרסום, לחתוך נתיב ישיר מהמרכז לקצה של פיסת polymethylmethacrylate (PMMA) (~ 1 מ"מ עובי) לא לחתוך את הנתיב לאורך כל דרך העובי של PMMA.; לחתוך על רק באמצע. קטע זה ישמש כמצע למתכת הנוזלית. חומרים אחרים שטוחים ובידוד חשמלי כגון זכוכית, קרמיקה, או פולימרים יכולים לשמש גם כמצע.
  2. עם אותו הכלי, לחתוך 1 מ"מ 2 חור במרכז של PMMA.
  3. שימוש בנתיב כמדריך, לרוץ חוטי נחושת מבודדים עם רק הקצה החשוף למרכז PMMA. מקם את החוט כך שהוא בולט מעל פני שטח PMMA. חותם את החוט במקום עם דבק leakproof. גְזִירָההחוט רק מעל פני השטח של PMMA, אבל אל תתנו לזה להאריך יותר מדי (מעבר ~ 100 מיקרומטר) או שזה יפריע את הצורה של הטיפה.
  4. סרט החתיכה למטה PMMA לתוך מיכל שקוף שדרכו ניתן לקבל תמונה ברורה. מלא את המכל עם 1 M NaOH, ולמקם את ירידת 25-50 μl של מתכת נוזלית על חוטי נחושת הבולטות. חוט זה ישמש כהאלקטרודה העבודה ולהרטיב את הטיפה.
  5. הנח האלקטרודה נגדית רשת פלטינה וכסף / כלוריד כסף רווי אלקטרודה התייחסות (Ag / AgCl) בפתרון. לחבר את כל האלקטרודות לpotentiostat.
  6. מניחים את המכל במד זוית זווית מגע, כך שהפרופיל של ירידת פני השטח הוא נראה בבירור. השתמש בpotentiostat לשלוט המתח ביחס לאלקטרודה ההתייחסות, ולהשתמש במד זוית למדוד את הצורה ובכך מתח interfacial של הירידה. ודא שהמד זוית מסוגל tensi interfacial ירידה הנייח מדידהעַל; אפשר גם להשתמש בניתוח צורת axisymmetric המותאם אישית של תמונות שנלקחו מירידת מצלמה התקנה אופקית 25.

3. הזרקת נימים

  1. מלא נימי זכוכית עם תמיסה של 1 M NaOH. קוטר הנימים צריך להיות ~ 1 מ"מ.
  2. מניחים בקצה אחד של רצף הנימים נגד ירידה של מתכת נוזלית. יישר את הנימים, כך שהוא מקביל עם המשטח של השולחן (כלומר, בניצב לכוח המשיכה). למנוע פערי אוויר בין ירידת המתכת הנוזלית ונימים מלאות אלקטרוליט. באמצעות לנגב, להספיג את כל האלקטרוליטים עודפים שאולי דלפו במהלך הרכבה.
  3. מניחים חוטי נחושת (אלקטרודה עבודה) במתכת הנוזלית, והאלקטרודה נגדי מוליך (חוט נחושת למשל) בקצה הפתוח של נימים, כך שקשר זה הפתרון.
  4. חבר את החוטים למקור מתח ולהחיל פוטנציאל חיובי למתכת הנוזלית. המתכת הנוזלית צריכה להתחיל למלא את גapillary (להימנע פוטנציאלים גדולים שיגרמו היווצרות בועה עודפת על האלקטרודה הנגדית).

4. נימי נסיגה

  1. להשתמש בטכניקות דפוס ליתוגרפי 26 והעתק רכים לפברק ערוצי microfluidic מורכבים מpolydimethylsiloxane (PDMS). לפברק ערוצים שהם רחבים כ -100 עד 1,000 מיקרומטר, 100 מיקרומטר גבוהים, ו25-65 מ"מ ארוך.
    הערה: ערוץ ממדי 1,000 מיקרומטר הרחב, 100 מיקרומטר גבוה, וערוץ 65 מ"מ ארוך הניב תוצאות עקביות, אבל אחרים יכולים גם לעבוד. לחלופין, להשתמש בנימי זכוכית (למשל, בקוטר 1 מ"מ זכוכית בורוסיליקט,) במקום microchannels PDMS.
  2. הזרק מתכת נוזלית באופן ידני או באמצעות משאבת מזרק כדי למלא את הערוץ לחלוטין (כלומר, 6.5 מ"מ 3 לערוץ ארוך 1,000 מיקרומטר רחב, 100 מיקרומטר גבוה, ו 65 מ"מ).
  3. באמצעות מקלון צמר גפן שנטבל ב1 M NaOH או 1 M HCl, להסיר כמויות עודפות של לילירות מתכת מהכניסה (ואם יש צורך, השקע) של הערוץ, כך שהמתכת נשארה מיושר עם פני השטח העליונים של PDMS.
  4. לצלול קצה אחד של הערוץ באלקטרוליט (למשל, 1 M NaCl), ולמקם את האנודה (למשל, חוטי נחושת, פלטינה, או טונגסטן) כך שהוא נוגע באלקטרוליט אבל לא המתכת.
  5. בקצה השני של הערוץ, פנה אלקטרודה נפרדת (למשל, חוט Cu) למשטח המתכת, כך שנוזל מתכת עצמה פועלת כקתודה.
  6. חבר החוטים האלה (כלומר, האנודה וקתודה) למקור מתח או potentiostat, ולהשלים את המעגל החשמלי. למערכת שלוש אלקטרודה, למקם את האלקטרודה ההתייחסות כזו שבקושי מטביע לירידה של אלקטרוליט.
  7. לפני יישום מתח צמצום, הר מצלמת וידאו על חצובה או במיקרוסקופ כדי להקליט את הניסויים. השתמש במצב פוקוס אוטומטי כדי לקבל את כל מה בפוקוס. לנצל פוקוס ידני יש שליטה טובה יותר עלעומק שדה, איזון לבן, ו- ISO. במידת צורך, להשתמש בתחנה גבוהה יותר F (כלומר, 11 או גבוהים יותר), 1/100 צמצם ה, איזון לבן אוטומטי ו- ISO האוטומטית.
  8. להתחיל להקליט את הניסוי. החל כ -1 V למשוך את המתכת הנוזלית מmicrochannels. כבה את המתח לגרום המתכת להפסיק לנוע באלקטרוליט הניטרלי.

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

איור 1 מציג דוגמא של טכניקת שתי אלקטרודות הפשוטה לחמצון והפחתה. במקרה זה, ירידה של 70 μl של המתכת הנוזלית להציב 1 מגעים M NaOH פתרון חוטי נחושת כדי ליצור חיבור חשמלי. M NaOH 1 מסיר את משטח תחמוצת מהמתכת ומאפשר למתכת חרוז עד בשל מתח interfacial. יישום פוטנציאל 2.5 V בין הירידה והאלקטרודה נגדית רשת פלטינה גורם לפני השטח של הירידה לחמצן והירידה מתפשטת תוך נודדת לכיוון האלקטרודה הנגדי (איור 1 א ii). יישום פוטנציאל V -1 למתכת הנוזלית מסיר את תחמוצת (בנוסף להסרת תחמוצת על ידי NaOH), גורם למתכת חרוז, ומייצר בועות מימן בירידה בשל הפוטנציאל המצמצם (איור 1 Ai). בועות מימן יוצרות על האלקטרודה הנגדית פלטינה בשל חצי התגובה אלקטרוכימיים חינם שככל הנראה מפחיתה פרוטונים בתמיסה.

עקומת electrocapillary (איור 1 ב ') מציגה את הירידה הדרמטית במתח פנים יעילים כאשר צורות שכבת תחמוצת. נתונים אלה נלקחו ב1 M NaOH באמצעות אלקטרודה התייחסות Ag / AgCl רווי. במקרה זה, את הפוטנציאל במעגל הפתוח היה כ -1.5 V לעומת Ag / AgCl, ושכבת תחמוצת נוצרה ליד -1.3 V לעומת Ag / AgCl (מסומן בקווים מקווקווים). השימוש בתוצאות 1 M HCl בהתנהגות הפנומנולוגית דומה, אך ההיווצרות של בועות על פני השטח של המתכת, אפילו בפוטנציאל חמצון, עושה ניתוח חזותי קשה.

בהעדר תחמוצת (שהוסר על ידי 1 M NaOH, לדוגמא), חשופה מתכת נוזלית היא נוזל מתח גבוה משטח ומאמצת צורה כדורית, כפי שמוצגת בFiguמחדש 2. ירידה של מתכת נוזלית מוטלת בסמוך לצינור נימים מלא 1 M NaOH. לנגב מסיר אלקטרוליט העודף מהחלק התחתון של רביב, כפי שמוצג על ידי איור 2 ב '. חוטי נחושת נוגעים בטיפה כדי ליצור את האנודה והאלקטרודה אחרת (כלומר, קתודה, לא מוצג באיור 2) מוטלת בתוך צינור נימי אלקטרוליט המלא. אלקטרוליט בנימים משלים את המעגל בין שתי אלקטרודות, כפי שמוצג באיור 2 C. החלת +1 V מורידה את המתח פנים בממשק המוביל וגורם למתכת הנוזלית כדי למלא את הנימים כפי שמוצג באיור 2 D. ניסוי זה עובד הכי טוב אם המתכת היא סומק עם קצה הצינורית.

לעומת זאת, הטיה הפחתה מסירה את עור תחמוצת ומחזירה אותיטל למצב של מתח פנים גדול. דוגמא אחת לכך היא שמוצגת באיור 3. עור תחמוצת מייצב את הצורה של שלולית של מתכת נוזלית השקועה באלקטרוליט הניטרלי (איור 3 AI). יישום של הטיה הפחתה מסיר את עור תחמוצת, המאפשר למתכת חרוז עד כפי שמוצגת באיור 3 (II-III). אנו קוראים "recapillarity" זו הטכניקה שכן הוא משתמש פוטנציאלים מצמצמים כדי לגרום להתנהגויות נימי 21. המשמעות אחרת של מונח זה היא שנימי התנהגות ניתן להפעיל או לכבות אותו מספר פעמים. לדוגמא, ניתן למשוך EGaIn מערוצי microfluidic PDMS ידי הפחתת תחמוצת כי אחר מייצבת את המתכת בערוצים (כפי שמתוארת ב4.1). איור 3 -D ממחיש רצף ניסיוני אחד כזה.

אנחנו נכניסמחט מזרק בקצה אחד של הנימים ולאט לאט לדחוף את בוכנת המזרק כדי לאלץ את המתכת מן המזרק לתוך הנימים. אנחנו שמים את הנימים מלאות על בעל מותאם אישית המורכב מpolymethylmethacrylate (PMMA). יש בעל שני מאגרים, שני חריצים כדי לאבטח את הנימים, שני חורים להכניס חוטים, וגם יש לו את האפשרות לקלטת שליט, כפי שמוצג באיור 3 ב '. אלקטרוליט (למשל מימית נתרן פלואוריד) הוסיף למאגר לאחר הזרקת המתכת מחבר את האנודה לסוף הנימים, כפי שמוצג באיור 3 ג. המתכת בתוך קשר צינור האלקטרודה הנגדית בצד השני של הנימים כדי להשלים את המעגל. החלת הטיה הפחתת 1V גורמת מתכת לסגת ולהתרחק מהאנודה, כפי שמוצג באיור 3 D. מאוחר יותר, אנו מודדים את מהירות נסיגה על ידי השוואה מעמידיםיון של המתכת ביחס לזמן. עלילת מהירות אחד כזה מוצגת באיור 3 E. המהירות דועכת כמו המתכת מתרחקת מן האנודה. ריקבון מהירות זאת בשל העלייה בהתנגדות חשמלית בין האנודה והמתכת הנוזלית 21.

איור 1
איור 1. (א) ירידה של EGaIn השקועה ב1 M NaOH, עם חוטי נחושת מחוברים לירידה ופלטינת האלקטרודה נגדית פתרון רשת ב. i) פוטנציאל -1 V מוחל על הירידה גורם למתכת חרוז ומייצר מימן על פני השטח של המתכת. ii) פוטנציאל 2.5 V מוחל על ירידת משרה על הפצה. עקומת electrocapillary של ירידה בEGaIn 1 M NaOH (B). הצד המצמצם (מתח מתחת -1.4 V לעומת Ag / AgCl) מראה electrocapillarity המסורתיהתנהגות, בעוד שצד חמצוני מראה ירידה משמעותית בשטח מתח. איור 1 אימצה מעיון 1 (זכויות יוצרים 2014, האקדמיה הלאומית למדעים, ארה"ב). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. הזרקת נימים של מתכת נוזלית באמצעות הטיה חמצוני. () ירידה של מגעים מתכת נוזליים הפתיחה לצינור נימים מלאים באלקטרוליט. (ב) הצינור מיושר ודחף נגד הירידה. לנגב מסיר את הסכום העודף של אלקטרוליט. (ג) שכותרתו תמונה של ניסיוני הגדרה זו. יישום (D) של +1 V למתכת מוריד את מתח הפנים של המתכת באמצעות oxid משטחזרימת ני, וגורם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. (א) ירידה של המתכת הנוזלית בפתרון 1 M NAF. i) תחמוצת מאפשרת שלולית יציבה, שאינה כדורית בפתרון. II-III) החלת פוטנציאל V -1 גורם למתכת חרוז עד. יש מצע אקריליק מותאם אישית (ב ') שני מאגרים שאליו מוכנסות אלקטרודות. נימים ארוכות 70 מ"מ, 1 מ"מ זכוכית ID מלאים בEGaIn משתרעות על פני שני המאגרים. יש המצע שני חריצים כדי להתאים נימים זה בתוקף. (ג) ירידה של אלקטרוליט מתווספת למאגר אחד, והמאגר האחר נותר כפי שהוא. לפעמים בועות טופס, אשר ניתן למזער באמצעות מחט טיפ נאה. ( (E) נסיגה של המתכת הנוזלית מהנימים כפונקציה של זמן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

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

שיטה זו שולטת במתח של מתכות נוזליים מבוסס גליום באמצעות מתח קטן לנהוג בתצהיר והסרת משטח תחמוצת פני השטח. למרות שהשיטה עובדת רק בפתרונות אלקטרוליט, זה פשוט, ועובד במגוון רחב של מצבים שונים, אבל יש דקויות ראוי לציין. בהיעדר הפוטנציאל חשמלי, שתי תמיסות החומציות והבסיסיות לחרוט משם תחמוצת 27. היישום של פוטנציאל חמצון מניע את ההיווצרות של תחמוצת פני השטח בכל אלקטרוליטים מימיים, כוללים פתרונות חומציים ובסיסיים. עם זאת, פירוק של תחמוצת בתמיסות חומציות או בסיסיות מתחרה בתצהיר של תחמוצת כדי למנוע הצטברות יתר של שכבת תחמוצת. ההיווצרות של שכבת תחמוצת עבה מעכבת זרימה, כנראה שכן תחמוצת מספקת מחסום מכאני לתנועה. עיכוב זה יכול להיות מזיק בהפצה, אלא גם מספק שיטה לייצב את הצורה של המתכת.

e_content "> מתח interfacial משתנה ברציפות כפונקציה של פוטנציאל. מתח הפנים הוא הגדול ביותר בפוטנציאל שמסיר את משטח תחמוצת. פוטנציאלים שיותר מצמצמים (שליליים יותר) יהיה מעט להקטין את מתח הפנים עקב electrocapillarity הקלאסי (השווה , איור 1). ירידה זו ממשיכה כפונקציה של פוטנציאל עד תהליכי Faradaic (למשל היווצרות מימן) מתרחשים על פני השטח.

לעומת זאת, מתח הפנים יורדים באופן משמעותי בפוטנציאל שבו צורות תחמוצת הראשונות (ראה איור 1). הגדלת הפוטנציאל (החיובי) ממשיכה להוריד את מתח הפנים, ככל הנראה בשל כיסוי טוב יותר של תחמוצת פני השטח. מעבר "פוטנציאל קריטי", הירידה תתחיל להתפשט ללא גבול, ויצר דפוסים כמו-פרקטלית ונודדת לכיוון האלקטרודה הנגדית. תנועה זו ממשיכה עד שהמתח הוסר, או עד הטיפה שוברת קוןטקט עם אלקטרודה העבודה. הצורות שנוצרו באזור מעל הפוטנציאל הביקורתי עדיין נחקרות, אך מיוחסות ללהיות קרוב לאפס מתח פנים. ניתן למצוא פרטים בספרות 1.

מתח interfacial של המתכת הוא רגיש לשינויים קטנים במתח. לכן חשוב להיות במגע חשמלי מעולה עם המתכת ושליטה על הפוטנציאל להחיל את המתכת הנוזלית. בנוסף, הנוכחות של חומצה או בסיס באלקטרוליט מתחרה עם חמצון אלקטרוכימי על ידי המסת שכבת תחמוצת. תהליך זה מתחרה מוסיף רמת המורכבות; הבנת התהליך המורכב המתרחשים בממשק שתהיה קריטית לקידום בשיטה זו.

חמצוני ותהליכים מצמצמים ניתן לשלב כדי לספק שליטה על הזרימה של מתכת ובמתוך נימים. לדוגמא, ניתן להשתמש בפוטנציאל חמצון להזריק מתכת לתוך קַפִּילָארies (על ידי הפחתת מתח interfacial של המניסקוס המוביל, כפי שמוצג באיור 2), ולאחר מכן להשתמש פוטנציאלים מצמצמים לגרום המתכת לסגת מהנימים (על ידי הגדלת מתח interfacial של המניסקוס המוביל, כפי שמוצג באיור 3) 28,29. המגבלות והיכולות של גישה זו הן עדיין לא נקבעו באופן מלא, אם כי הזרקה נראית איטי יותר מאשר נסיגה. באמצעות חמצון להזריק מתכת כרוכה בשלושה שלבים קריטיים. ראשית, הנימים יש prefilled עם אלקטרוליט, אשר אנו מאמינים יוצר "שכבה להחליק" דקה של מים בין המתכת והקירות של הנימים כמו המתכת. שנית, הזרקת המתכת לתוך נימים דורשת מגע סומק בין חרוז של המתכת וסופו של הנימים, כפי שמוצגת באיור 3. קשר אינטימי זה מבטיח ירידה הפוטנציאלית מתרחשת באלקטרוליט ממשק המתכת / ומונעת מסלולים לתשלום ל לעקוף int זהerface.

ניתן להשתמש במערכות או שתי-אלקטרודה או שלוש-אלקטרודה לשלוט המתח של מתכת המשטח. המערכת דו-אלקטרודה היא פשוטה, הדורש רק אלקטרודה עבודה, האלקטרודה נגדית, ומקור מתח. למרות שהמערכת דו-אלקטרודה מתאימה להפגנות, את הפוטנציאל של האלקטרודה הנגדית יכול להיסחף. מדידות אלקטרוכימיים רגישות ליהנות מהיציבות של מערכת של שלוש אלקטרודה (כלומר, אלקטרודה התייחסות וpotentiostat). מערכת זו מאפשרת שליטה טובה יותר של המתח, ומספקת קריאה מדויקת של הנוכחי.

היכולת לשלוט במתח interfacial באמצעות מתחים צנועים היא שיטה מבטיחה לשליטה צורה, זרימה, והמיקום של מבנים מתכתיים בקנה מידת האורך תת-מ"מ. אנו מאמינים בטכניקה זו יכולה להיות שימושית ליצירת מבנים מתכתיים שמשנים את צורתם על פי דרישה, שעלול למצוא את היישומים בצורה reconfiguraאלקטרוניקה ble, אנטנות מתכונן, מתגים, רכיבי מייקרו-נוזליים, optofluidics, ומטה-חומרים-הסטת צורה.

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).
שיטה למניפולציות מתח פנים של מתכת נוזלית באמצעות חמצון פני שטח והפחתה
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