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Chemistry

एक विधि सतह ऑक्सीकरण और कमी के माध्यम से एक तरल धातु की सतह तनाव में हेरफेर करने के लिए

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

Abstract

इंटरफेसियल तनाव को नियंत्रित करने इंटरफेसियल तनाव एक प्रमुख शक्ति है, जहां उप मिलीमीटर लंबाई तराजू, पर तरल पदार्थ का आकार, स्थिति, और प्रवाह से छेड़छाड़ के लिए एक कारगर तरीका है। तरीकों की एक किस्म इस पैमाने पर जलीय और जैविक तरल पदार्थ की इंटरफेसियल तनाव को नियंत्रित करने के लिए मौजूद हैं; हालांकि, इन तकनीकों की वजह से उनके बड़े इंटरफेसियल तनाव के लिए तरल धातु के लिए उपयोगिता सीमित है।

तरल धातु इलेक्ट्रॉनिक और विद्युत उपकरणों में, मुलायम स्केलेबल, और आकार-reconfigurable घटकों बना सकते हैं। यह यांत्रिक तरीकों (जैसे, पम्पिंग) के माध्यम से इन तरल पदार्थ में हेरफेर करने के लिए संभव है, बिजली के तरीकों, miniaturize नियंत्रण, और लागू करने के लिए आसान कर रहे हैं। हालांकि, सबसे अधिक बिजली की तकनीक को अपने स्वयं की कमी है:-ऑन-अचालक electrowetting मामूली प्रवर्तन के लिए बड़े (केवी) क्षमता, electrocapillarity, इंटरफेसियल तनाव में अपेक्षाकृत छोटे परिवर्तन को प्रभावित कर सकते हैं और निरंतर हाथी की आवश्यकता हैctrowetting केशिकाओं में तरल धातु के प्लग तक सीमित है।

यहाँ, हम एक विद्युत सतह प्रतिक्रिया के माध्यम से गैलियम और गैलियम आधारित तरल धातु मिश्र actuating के लिए एक तरीका मौजूद है। Reversibly तेजी से इलेक्ट्रोलाइट में तरल धातु की सतह पर विद्युत क्षमता को नियंत्रित करने और (शून्य के पास करने के लिए ̴500 करोड़ / मी) परिमाण के दो से अधिक आदेश द्वारा इंटरफेसियल तनाव बदलता है। इसके अलावा, इस विधि से एक काउंटर इलेक्ट्रोड के सापेक्ष लागू केवल एक बहुत ही मामूली क्षमता (1 वी <) की आवश्यकता है। तनाव में जिसके परिणामस्वरूप परिवर्तन मुख्य रूप से एक surfactant के रूप में कार्य करता है जो एक सतह परत ऑक्साइड की विद्युत बयान की वजह से है; ऑक्साइड को हटाने की इंटरफेसियल तनाव, और इसके विपरीत बढ़ जाती है। इस तकनीक में इलेक्ट्रोलाइट्स की एक विस्तृत विविधता में आवेदन किया है और यह टिकी हुई है, जिस पर सब्सट्रेट के स्वतंत्र किया जा सकता है।

Protocol

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इलेक्ट्रोलाइट में तरल धातु की इंटरफेसियल तनाव 1. हेरफेर

  1. ऑक्सीकरण
    1. एक पेट्री डिश में (अम्लीय या मूल) एक जलीय इलेक्ट्रोलाइट डालो। ऑक्साइड पूरी तरह से हटा दिया जाता है कि यह सुनिश्चित करने के लिए, एक एकाग्रता से अधिक 0.1 एम 24 (उदाहरण के लिए 1 एम NaOH या 1 एम एचसीएल) के साथ एक एसिड या आधार का उपयोग करें। लगभग 1-3 मिमी की गहराई तक पकवान भर जाएगा कि एक मात्रा का प्रयोग करें। इन समाधानों के साथ त्वचा से संपर्क करने से बचें।
    2. इलेक्ट्रोलाइट में एक गैलियम आधारित मिश्र धातु की (बेहतर 10-500 μl के बीच) एक बूंद जगह के लिए एक सिरिंज का प्रयोग करें। उदाहरण गलनक्रांतिक गैलियम ईण्डीयुम (EGaIn) या गैलियम इंडियम टिन (Galinstan) शामिल हैं। शुद्ध गैलियम प्रयोग किया जाता है, तो ठंड को रोकने के लिए कम से कम 30 डिग्री सेल्सियस के इलेक्ट्रोलाइट गर्म।
    3. काम इलेक्ट्रोड की स्थापना के लिए तरल धातु में एक तांबे के तार की जगह। बूंद की तुलना में कम एक व्यास के साथ एक तांबे के तार का उपयोग करें, और ई के लिए निर्माता के निर्देशों के अनुसार एक डिजिटल मल्टीमीटर का उपयोगतार <1 Ω का प्रतिरोध किया है कि Nsure। एसिड या आधार में, तरल धातु तांबे गीला है और इस तरह एक उत्कृष्ट बिजली के संपर्क के रूप में होगा।
    4. समाधान में एक आयोजन जवाबी इलेक्ट्रोड (जैसे तांबा, ग्रेफाइट, प्लेटिनम, आदि) की जगह नहीं, बल्कि तरल धातु के संपर्क में। जवाबी इलेक्ट्रोड <1 Ω की एक प्रतिरोध किया है, तो उसके आयामों अप्रासंगिक हैं।
    5. एक वोल्टेज स्रोत के लिए तारों कनेक्ट और तरल धातु के लिए एक सकारात्मक संभावित लागू होते हैं। छोटे आकार विरूपण के लिए, सकारात्मक voltages लागू 1 वी <बड़े आकार विरूपण (और जवाबी इलेक्ट्रोड की ओर तरल धातु के आंदोलन) के लिए 1 वी, लागू>
      नोट: समाधान की एकाग्रता और जवाबी इलेक्ट्रोड से ड्रॉप की दूरी विद्युत सतह ऑक्सीकरण की दर इलेक्ट्रोलाइट द्वारा ऑक्साइड विघटन की दर के साथ प्रतिस्पर्धा के बाद से इंटरफेसियल तनाव में परिवर्तन के लिए प्रेरित करने के लिए आवश्यक वोल्टेज नियंत्रित करती हैं।
    कमी
    1. एक खाली पेट्री डिश में एक सिरिंज से तरल धातु की एक बूंद (10-500 μl) बांटना।
    2. धातु submerges एक स्तर है कि पेट्री डिश में एक तटस्थ जलीय इलेक्ट्रोलाइट डालो (जैसे 1 एम सोडियम फ्लोराइड (NAF) या 1 एम सोडियम क्लोराइड (NaCl))।
      नोट: एक अम्लीय (पीएच <3) या बुनियादी समाधान (पीएच> 10) का प्रयोग ऑक्साइड अनायास भंग करने के लिए प्रेरित करेगा।
    3. एक काम कर इलेक्ट्रोड, और काउंटर इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करने के लिए इलेक्ट्रोलाइट में एक आयोजन तार (जैसे, तांबा) के रूप में कार्य करने के लिए तरल धातु में एक तांबे के तार की जगह।
    4. एक वोल्टेज स्रोत के लिए तारों कनेक्ट और तरल धातु के लिए एक नकारात्मक संभावित लागू होते हैं। सतह ऑक्साइड को हटाने और धातु सब्सट्रेट से dewet करने के लिए प्रेरित करने के लिए लगभग -1 वी लागू करें। धातु जवाबी इलेक्ट्रोड के पक्ष निकटतम पर dewet चाहिए।
    5. पूरी तरह से ऑक्साइड परत को हटाने के लिए और अधिक नकारात्मक क्षमता (<-1 वी) को लागू करें। Exces लागू करने से बचेंsively बड़ी नकारात्मक voltages कारण इलेक्ट्रोलाइट की कमी करने के लिए तरल धातु पर प्रदर्शित होने से हाइड्रोजन बुलबुले को रोकने के लिए।

बिना डंठल छोटी बूंद के माध्यम से 2. सतह तनाव माप

  1. एक लेजर कटर या मिलिंग उपकरण का उपयोग, polymethylmethacrylate (PMMA) (~ 1 मिमी मोटी) के एक टुकड़े के किनारे करने के लिए केंद्र से एक सीधा रास्ता काट के लिए सभी तरह PMMA की मोटाई के माध्यम से पथ में कटौती न करें। केवल आधे रास्ते के माध्यम से के बारे में कटौती। यह टुकड़ा तरल धातु के लिए एक सब्सट्रेट के रूप में काम करेगा। अन्य फ्लैट और विद्युत इन्सुलेट कांच, मिट्टी के पात्र के रूप में सामग्री, या पॉलिमर भी सब्सट्रेट के रूप में सेवा कर सकते हैं।
  2. एक ही उपकरण के साथ, PMMA के केंद्र के माध्यम से एक 1 मिमी 2 छेद में कटौती।
  3. एक गाइड के रूप में पथ का उपयोग करना, PMMA के केंद्र के संपर्क में केवल टिप के साथ एक अछूता तांबे के तार चलाते हैं। यह PMMA सतह पर फैला हुआ है कि इतने तार स्थिति। एक leakproof चिपकने के साथ जगह में तार सील। कमीसिर्फ PMMA की सतह से ऊपर तार, लेकिन यह बहुत दूर (~ परे 100 माइक्रोन) का विस्तार देना नहीं है या इसे छोड़ के आकार परेशान नहीं करेगा।
  4. टेप एक साफ छवि प्राप्त किया जा सकता है जिसके माध्यम से एक पारदर्शी कंटेनर में PMMA टुकड़ा नीचे। 1 एम NaOH के साथ कंटेनर भरें, और फैला हुआ तांबे के तार पर तरल धातु का एक 25-50 μl बूंद जगह है। इस तार काम कर इलेक्ट्रोड के रूप में काम करेगा और छोटी बूंद गीला होगा।
  5. एक प्लैटिनम जाल जवाबी इलेक्ट्रोड और समाधान में एक संतृप्त चांदी / चांदी क्लोराइड (एजी / AgCl) संदर्भ इलेक्ट्रोड रखें। एक potentiostat के लिए इलेक्ट्रोड के सभी कनेक्ट करें।
  6. बूंद की सतह प्रोफ़ाइल स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहा है तो यह है कि एक संपर्क कोण गोनियोमीटर में कंटेनर रखें। संदर्भ इलेक्ट्रोड के संबंध में वोल्टेज को नियंत्रित करने के लिए potentiostat का प्रयोग करें, और आकार और ड्रॉप की जिससे इंटरफेसियल तनाव को मापने के लिए गोनियोमीटर का उपयोग करें। गोनियोमीटर मापने बिना डंठल बूंद इंटरफेसियल tensi में सक्षम है कि यह सुनिश्चित करेंपर; यह एक क्षैतिज रखा कैमरा 25 से लिया ड्रॉप छवियों का रिवाज axisymmetric आकार विश्लेषण का उपयोग करने के लिए भी संभव है।

3. केशिका इंजेक्शन

  1. 1 एम NaOH के समाधान के साथ एक गिलास केशिका भरें। केशिका व्यास ~ 1 मिमी होना चाहिए।
  2. तरल धातु की एक बूंद के खिलाफ केशिका फ्लश के एक छोर रखें। यह तालिका (गुरुत्वाकर्षण के लिए यानी, सीधा) की सतह के साथ समानांतर इतना है कि केशिका संरेखित करें। तरल धातु बूंद और इलेक्ट्रोलाइट से भरे केशिका के बीच हवा अंतराल से बचें। एक पोंछ विधानसभा के दौरान लीक हो सकता है कि किसी भी अतिरिक्त इलेक्ट्रोलाइट बंद थपका का उपयोग करना।
  3. केशिका के खुले अंत में तरल धातु में एक तांबे के तार (काम कर इलेक्ट्रोड), और एक प्रवाहकीय जवाबी इलेक्ट्रोड (जैसे तांबा तार) की जगह यह संपर्कों समाधान सकें।
  4. एक वोल्टेज स्रोत के लिए तारों कनेक्ट और तरल धातु के लिए एक सकारात्मक संभावित लागू होते हैं। तरल धातु ग भरने शुरू करना चाहिएapillary (काउंटर इलेक्ट्रोड पर अतिरिक्त बुलबुला गठन का कारण होगा कि बड़ी क्षमता बचने के लिए)।

4. केशिका निकासी

  1. Polydimethylsiloxane (PDMS) से बना microfluidic चैनलों निर्माण करने के लिए नरम 26 पत्थर के छापे और प्रतिकृति मोल्डिंग तकनीकों का उपयोग। 100 माइक्रोन लंबा लगभग 100 करने के लिए 1000 मीटर चौड़ा कर रहे हैं कि चैनलों, निर्माण, और लंबे समय तक 25-65 मिमी।
    चैनल 100 माइक्रोन लंबा विस्तृत 1,000 माइक्रोन, आयाम, और 65 मिमी लंबी चैनल अनुरूप परिणाम का उत्पादन किया है, लेकिन दूसरों को भी काम कर सकते हैं: ध्यान दें। वैकल्पिक रूप से, कांच केशिकाओं (जैसे, 1 मिमी व्यास, borosilicate ग्लास) के बजाय PDMS microchannels उपयोग करें।
  2. तरल धातु इंजेक्षन या तो स्वयं या पूरी तरह से चैनल को भरने के लिए एक सिरिंज पंप का उपयोग (यानी, एक 1,000 मीटर चौड़ा, 100 माइक्रोन लंबा, और 65 मिमी लंबे चैनल के लिए 6.5 मिमी 3)।
  3. 1 एम NaOH या 1 एम एचसीएल में डूबा दिया गया है कि एक कपास झाड़ू का प्रयोग, ली की अतिरिक्त मात्रा को दूरतो यह है कि चैनल के प्रवेश (और, यदि आवश्यक हो तो, आउटलेट) से रुपये धातु, धातु PDMS की शीर्ष सतह से भरा रहता है।
  4. यह इलेक्ट्रोलाइट नहीं बल्कि धातु को छू लेती है (उदाहरण के लिए, तांबा, प्लेटिनम, या टंगस्टन के तारों) ऐसा है कि एनोड इलेक्ट्रोलाइट (जैसे, 1 एम NaCl) में चैनल के एक छोर डूब, और जगह।
  5. तरल धातु ही एक कैथोड के रूप में कार्य करता है, ताकि चैनल के दूसरे छोर पर, धातु की सतह के लिए एक अलग इलेक्ट्रोड (जैसे, घन तार) से संपर्क करें।
  6. एक वोल्टेज स्रोत या potentiostat करने के लिए इन तारों (यानी, एनोड और कैथोड) कनेक्ट, और बिजली के सर्किट पूरा करें। एक तीन इलेक्ट्रोड प्रणाली के लिए, यह मुश्किल से इलेक्ट्रोलाइट की बूंद में submerges कि इस तरह के संदर्भ इलेक्ट्रोड जगह है।
  7. एक कम वोल्टेज आवेदन करने से पहले, प्रयोगों रिकॉर्ड करने के लिए एक तिपाई पर या एक माइक्रोस्कोप में एक वीडियो कैमरा माउंट। ध्यान में सब कुछ पाने के लिए ऑटो फोकस मोड का उपयोग करें। एक बेहतर नियंत्रण है करने के लिए मैन्युअल फोकस का उपयोगक्षेत्र, सफेद संतुलन, और आईएसओ की गहराई। आवश्यक के रूप में, उच्च एफ स्टॉप (यानी, 11 या अधिक), 1/100 वें शटर, ऑटो सफेद संतुलन और ऑटो आईएसओ का उपयोग करें।
  8. प्रयोग शुरू रिकॉर्डिंग। Microchannels से तरल धातु वापस लेने के लिए लगभग -1 वी लागू करें। तटस्थ इलेक्ट्रोलाइट में बढ़ रोकने के लिए धातु का कारण करने के लिए वोल्टेज बंद कर दें।

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Representative Results

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चित्रा 1 एक ऑक्सीकरण और कमी के लिए सरल दो इलेक्ट्रोड तकनीक का एक उदाहरण से पता चलता है। इस उदाहरण में, एक 1 एम NaOH समाधान संपर्कों में एक तांबे के तार रखा तरल धातु के एक 70 μl ड्रॉप एक बिजली के कनेक्शन स्थापित करने के लिए। 1 एम NaOH के कारण इसकी इंटरफेसियल तनाव को मनका के लिए धातु धातु से सतह ऑक्साइड को निकालता है और अनुमति देता है। बूंद और एक प्लैटिनम जाल जवाबी इलेक्ट्रोड के बीच एक 2.5 वी संभावित लागू करने के लिए ड्रॉप की सतह oxidize करने का कारण बनता है और काउंटर इलेक्ट्रोड (चित्रा 1 ए द्वितीय) की ओर पलायन जबकि बूंद फैलता है। तरल धातु के लिए एक -1 वी संभावित आवेदन (NaOH के द्वारा ऑक्साइड को हटाने के लिए अतिरिक्त) ऑक्साइड, मनका के लिए धातु का कारण बनता है निकालता है, और कारण reductive संभावित (चित्रा 1 ड्रॉप पर हाइड्रोजन बुलबुले उत्पन्न)। हाइड्रोजन बुलबुले के कारण संभवतः समाधान में प्रोटॉन कम कर देता है कि मानार्थ विद्युत आधा प्रतिक्रिया के लिए प्लैटिनम काउंटर इलेक्ट्रोड पर फार्म।

एक electrocapillary वक्र (चित्रा 1 बी) प्रभावी सतह तनाव जब ऑक्साइड परत रूपों में नाटकीय गिरावट दिखाता है। ये आंकड़े एक संतृप्त एजी / AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड का उपयोग कर 1 एम NaOH में ले जाया गया। इस मामले में, खुले सर्किट संभावित लगभग -1.5 वी एजी / AgCl बनाम था, और ऑक्साइड परत -1.3 वी बनाम एजी / AgCl (बिंदीदार रेखा द्वारा इंगित) के पास का गठन किया। समान phenomenological व्यवहार में 1 एम एचसीएल परिणामों के उपयोग, लेकिन फिर भी ऑक्सीडेटिव क्षमता पर धातु की सतह पर बुलबुले के गठन, दृश्य विश्लेषण कठिन बना देता है।

(उदाहरण के लिए, 1 एम NaOH द्वारा हटा दिया जाता है) ऑक्साइड के अभाव में, नंगे तरल धातु एक उच्च सतह तनाव तरल पदार्थ है और figu में दिखाया गया है एक गोलाकार आकृति को गोद ले2 एक फिर से। तरल धातु की एक बूंद 1 एम NaOH से भरा एक केशिका ट्यूब से सटे टिकी हुई है। चित्रा 2 बी द्वारा दिखाया गया है एक पोंछ, छोटी बूंद के नीचे से अतिरिक्त इलेक्ट्रोलाइट हटा। एक तांबे के तार एनोड और अन्य इलेक्ट्रोड के रूप में करने छोटी बूंद को छू लेती है (यानी, कैथोड, न चित्रा 2 में दिखाया गया है) इलेक्ट्रोलाइट भरा केशिका ट्यूब के अंदर टिकी हुई है। चित्रा 2 सी के रूप में दिखाया केशिका में इलेक्ट्रोलाइट, दो इलेक्ट्रोड के बीच सर्किट पूरा करती है। एक वी आवेदन करने वाले प्रमुख इंटरफेस में सतह के तनाव को कम करती है और चित्रा 2 डी में दिखाया गया है केशिका भरने के लिए तरल धातु का कारण बनता है। धातु ट्यूब के अंत से भरा है, तो यह प्रयोग सबसे अच्छा काम करता है।

इसके विपरीत, एक कम करने के पूर्वाग्रह ऑक्साइड त्वचा को हटा और मुझे रिटर्नबड़े सतह तनाव की स्थिति को ताल। ऐसा ही एक उदाहरण चित्रा 3 में दिखाया गया है। ऑक्साइड त्वचा तटस्थ इलेक्ट्रोलाइट (चित्रा 3 ऐ) में डूबे हुए तरल धातु के एक पोखर के आकार स्थिर। एक कम करने के पूर्वाग्रह के आवेदन 3 चित्र में दिखाया गया के रूप में धातु मनका करने की इजाजत दी, ऑक्साइड त्वचा को हटा (द्वितीय-तृतीय)। यह केशिका व्यवहार 21 प्रेरित करने के लिए reductive क्षमता का उपयोग करता है के बाद से हम इस तकनीक "recapillarity 'कहते हैं। इस अवधि के अन्य निहितार्थ केशिका व्यवहार पर या कई बार बंद किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, EGaIn अन्यथा (के रूप में 4.1 में वर्णित) चैनलों में धातु है कि स्थिर ऑक्साइड को कम करने से PDMS microfluidic चैनलों से वापस लिया जा सकता है। चित्रा 3 बी डी ऐसे ही एक प्रयोगात्मक अनुक्रम को दिखाता है।

हम एक डालेंसिरिंज केशिका के एक छोर पर सुई और धीरे धीरे केशिका में सिरिंज से धातु के लिए मजबूर करने के लिए सिरिंज सवार धक्का। हम polymethylmethacrylate (PMMA) से बना एक कस्टम धारक पर भरा केशिका जगह है। धारक तारों डालने के लिए केशिका, दो छेद को सुरक्षित करने के लिए दो खांचे दो जलाशयों, है, और भी चित्रा 3 बी में दिखाया गया है, टेप करने के लिए विकल्प के लिए एक शासक है। इलेक्ट्रोलाइट (जैसे जलीय सोडियम फ्लोराइड) चित्रा 3 सी के रूप में दिखाया, केशिका के अंत करने के एनोड जोड़ता धातु इंजेक्शन लगाने के बाद जलाशय के लिए कहा। केशिका के दूसरे छोर पर ट्यूब संपर्कों काउंटर इलेक्ट्रोड के अंदर धातु सर्किट पूरा करने के लिए। 1V को कम करने के पूर्वाग्रह को लागू करने को वापस लेने और चित्रा 3 डी में दिखाया गया है, दूर एनोड से स्थानांतरित करने के लिए धातु का कारण बनता है। बाद में, हम मंज़ूर तुलना करके वापसी वेग को मापनेसमय के लिए सम्मान के साथ धातु के आयन। ऐसा ही एक वेग साजिश चित्रा 3 में दिखाया गया है। धातु दूर एनोड से कदम के रूप में वेग decays। इस वेग क्षय एनोड और तरल धातु 21 के बीच बिजली के प्रतिरोध में वृद्धि के कारण है।

आकृति 1
चित्रा 1. (क) ड्रॉप और एक प्लैटिनम काउंटर इलेक्ट्रोड में जाल समाधान से जुड़ी एक तांबे के तार के साथ 1 एम NaOH में डूबे हुए EGaIn की एक बूंद,। ड्रॉप करने के लिए लागू i) -1 वी संभावित मनका के लिए धातु का कारण बनता है और धातु की सतह पर हाइड्रोजन पैदा करता है। द्वितीय) ड्रॉप करने के लिए आवेदन एक 2.5 वी संभावित फैल रहा लाती है। (बी) 1 एम NaOH में एक EGaIn बूंद का एक electrocapillary वक्र। reductive पक्ष (-1.4 वी बनाम एजी / AgCl नीचे voltages) पारंपरिक electrocapillarity से पता चलता हैऑक्सीडेटिव पक्ष संदर्भ 1 (कॉपीराइट 2014, नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज, संयुक्त राज्य अमरीका) से अपनाया सतह तनाव। चित्रा 1 बी में उल्लेखनीय गिरावट से पता चलता है, जबकि व्यवहार,। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
ऑक्सीडेटिव पूर्वाग्रह का उपयोग कर तरल धातु के चित्रा 2. केशिका इंजेक्शन। (ए) तरल धातु संपर्कों इलेक्ट्रोलाइट से भरा एक केशिका ट्यूब को खोलने की एक बूंद। (बी) ट्यूब गठबंधन और ड्रॉप के खिलाफ धकेल दिया है। एक इलेक्ट्रोलाइट की अतिरिक्त राशि को हटा पोंछे। (सी) ए इस प्रयोगात्मक सेट अप की छवि लेबल। धातु के लिए एक वी (डी) आवेदन सतह Oxid के माध्यम से धातु की सतह के तनाव को कम करती हैसमझना, और लाती प्रवाह। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. (क) 1 एम NAF समाधान में तरल धातु की एक बूंद। मैं) ऑक्साइड समाधान में एक स्थिर, गैर गोलाकार पोखर की अनुमति देता है। द्वितीय-तृतीय) एक -1 वी संभावित लागू करने मनका के लिए धातु का कारण बनता है। (बी) एक कस्टम बनाया एक्रिलिक सब्सट्रेट इलेक्ट्रोड डाला जाता है जिसमें दो जलाशयों है। EGaIn के साथ भरा एक 70 मिमी लंबा, 1 मिमी आईडी गिलास केशिका दो जलाशयों तक फैला है। सब्सट्रेट मजबूती से इस केशिका फिट करने के लिए दो खांचे है। इलेक्ट्रोलाइट (सी) एक बूंद एक जलाशय में जोड़ा जाता है, और है के रूप में अन्य जलाशय छोड़ दिया है। कभी कभी एक अच्छी टिप सुई का उपयोग करके कम किया जा सकता है, जो रूप है, बुलबुले। ( (ई) निकासी वेग। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

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इस पद्धति का एक सतह ऑक्साइड के बयान और हटाने ड्राइव करने के लिए छोटे voltages का उपयोग कर गैलियम आधारित तरल धातु की सतह तनाव को नियंत्रित करता है। विधि केवल इलेक्ट्रोलाइट समाधान में काम करता है, यह आसान है, और विभिन्न स्थितियों की एक विस्तृत विविधता में काम करता है, लेकिन ध्यान देने योग्य बारीकियों देखते हैं। विद्युत क्षमता के अभाव में, दोनों अम्लीय और बुनियादी समाधान ऑक्साइड 27 दूर खोदना। एक ऑक्सीडेटिव क्षमता के आवेदन अम्लीय और बुनियादी समाधान सहित सभी जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स, में सतह ऑक्साइड के गठन ड्राइव। हालांकि, अम्लीय या बुनियादी समाधान में ऑक्साइड के विघटन परत ऑक्साइड के अत्यधिक निर्माण को रोकने के लिए ऑक्साइड के बयान के साथ प्रतिस्पर्धा। एक मोटी परत ऑक्साइड के गठन ऑक्साइड आंदोलन करने के लिए एक यांत्रिक बाधा प्रदान करता है मुमकिन है, के बाद से प्रवाह को रोकता है। इस अवरोध के प्रसार के दौरान हानिकारक हो सकता है, लेकिन यह भी धातु के आकार को स्थिर करने के लिए एक तरीका प्रदान कर सकते हैं।

e_content "> इंटरफेसियल तनाव की क्षमता का एक समारोह के रूप में लगातार बदलता रहता है। सतह तनाव सतह ऑक्साइड निकालता है कि क्षमता में सबसे बड़ा है। कारण क्लासिक electrocapillarity करने के लिए सतह से थोड़ा तनाव में कमी होगी और अधिक reductive (अधिक नकारात्मक) कर रहे हैं कि क्षमता (सीएफ चित्रा 1 बी)। यह कमी Faradaic प्रक्रियाओं (जैसे हाइड्रोजन गठन) सतह पर होते हैं जब तक की क्षमता का एक समारोह के रूप में जारी है।

इसके विपरीत, सतह तनाव क्षमता पर काफी बूँदें जहां ऑक्साइड पहले रूपों (सीएफ चित्रा 1 बी)। (सकारात्मक) क्षमता में वृद्धि संभवतः कारण सतह ऑक्साइड की बेहतर कवरेज के लिए, सतह तनाव कम करने के लिए जारी है। एक "महत्वपूर्ण संभावित" परे, ड्रॉप भग्न-तरह पैटर्न बनाने और जवाबी इलेक्ट्रोड की ओर पलायन, बाध्य बिना प्रसार के लिए शुरू हो जाएगा। इस आंदोलन बूंद टूट जाता है जब तक चोर वोल्टेज निकाले जाने तक जारी रहता है, याकाम कर इलेक्ट्रोड के साथ चालबाजी। महत्वपूर्ण क्षमता को ऊपर क्षेत्र में आकार का गठन अभी भी जांच की जा रही है लेकिन शून्य के पास जा रहा है सतह तनाव के लिए जिम्मेदार हैं। विवरण साहित्य 1 में पाया जा सकता है।

धातु की इंटरफेसियल तनाव वोल्टेज में छोटे परिवर्तन के प्रति संवेदनशील है। यह तरल धातु के लिए लागू संभावित पर धातु और नियंत्रण के साथ उत्कृष्ट बिजली से संपर्क किया है इसलिए यह महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइट में एसिड या आधार की उपस्थिति ऑक्साइड परत भंग द्वारा विद्युत ऑक्सीकरण के साथ प्रतिस्पर्धा। इस प्रतिस्पर्धा प्रक्रिया जटिलता का एक स्तर कहते हैं; इंटरफेस में होती है कि जटिल प्रक्रिया को समझने के लिए इस विधि को आगे बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण होगा।

ऑक्सीडेटिव और reductive प्रक्रियाओं में और केशिकाओं से बाहर धातु के प्रवाह पर नियंत्रण प्रदान करने के लिए जोड़ा जा सकता है। उदाहरण के लिए, यह capillar में धातु इंजेक्षन करने के लिए ऑक्सीडेटिव क्षमता का उपयोग करने के लिए संभव है(3 चित्र में दिखाया गया है, अग्रणी meniscus के इंटरफेसियल तनाव में वृद्धि से) केशिका से पीछे हटने के लिए धातु के लिए प्रेरित करने reductive क्षमता का उपयोग करें तो, और (चित्रा 2 में दिखाया गया है, अग्रणी meniscus के इंटरफेसियल तनाव को कम से) एँ 28,29। इंजेक्शन वापसी की तुलना में धीमी हो गया लगता है, हालांकि इस दृष्टिकोण की सीमाओं और क्षमताओं, अभी तक पूरी तरह से निर्धारित किया जाना है। धातु इंजेक्षन करने के लिए ऑक्सीकरण का उपयोग करते हुए तीन महत्वपूर्ण कदम शामिल है। सबसे पहले, केशिका हम धातु और धातु के रूप में केशिका की दीवारों के बीच पानी की एक पतली "पर्ची परत" बनाता है जो हमें विश्वास इलेक्ट्रोलाइट, साथ प्रीफिल्ड किया जाना चाहिए। 3 चित्र में दिखाया गया है दूसरा, एक केशिका में धातु इंजेक्शन लगाने, धातु का एक मनका और केशिका के अंत के बीच फ्लश संपर्क की आवश्यकता है। यह घनिष्ठ संपर्क संभावित ड्रॉप इलेक्ट्रोलाइट / धातु इंटरफेस में होता है और करने के लिए चार्ज करने के लिए रास्ते को रोकता सुनिश्चित करता है इस पूर्णांक बायपासerface।

यह धातु की सतह तनाव को नियंत्रित करने के दो इलेक्ट्रोड या तीन इलेक्ट्रोड या तो सिस्टम का उपयोग करने के लिए संभव है। दो इलेक्ट्रोड प्रणाली केवल एक काम कर इलेक्ट्रोड, काउंटर इलेक्ट्रोड, और वोल्टेज स्रोत की आवश्यकता होती है, सबसे सरल है। दो इलेक्ट्रोड प्रणाली प्रदर्शनों के लिए उपयुक्त है, जवाबी इलेक्ट्रोड की क्षमता का बहाव कर सकते हैं। संवेदनशील विद्युत रासायनिक माप तीन इलेक्ट्रोड प्रणाली की स्थिरता से लाभ (यानी, एक संदर्भ इलेक्ट्रोड और एक potentiostat)। इस प्रणाली वोल्टेज के बेहतर नियंत्रण के लिए अनुमति देता है, और वर्तमान का एक सटीक पढ़ प्रदान करता है।

मामूली voltages का उपयोग कर इंटरफेसियल तनाव को नियंत्रित करने की क्षमता के उप मिमी लंबाई पैमाने पर धातु संरचनाओं का आकार, प्रवाह, और स्थिति को नियंत्रित करने के लिए एक आशाजनक तरीका है। हम इस तकनीक का आकार reconfigura में आवेदन मिल सकता है, जो मांग पर आकार बदलने कि धातु संरचनाओं बनाने के लिए उपयोगी हो सकता है विश्वासble इलेक्ट्रॉनिक्स, ट्यून करने योग्य एंटेना, स्विच, microfluidic घटकों, optofluidics, और आकार बदलने वाले मेटा-सामग्री।

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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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एक विधि सतह ऑक्सीकरण और कमी के माध्यम से एक तरल धातु की सतह तनाव में हेरफेर करने के लिए
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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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