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Chemistry

表面酸化と還元を経て液体金属の表面張力を操作する方法

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

Abstract

界面張力を制御することは界面張力が支配的な力であるサブミリメートルの長さのスケールでの形状、位置、及び流体の流れを操作するための有効な方法です。この規模での水と有機液体の界面張力を制御するための様々な方法が存在します。しかし、これらの技術は、それらの大きな界面張力による液体金属の有用性が限られています。

液体金属は電気及び電磁機器で、柔らかい伸縮性、および再構成可能な形状の部品を形成することができます。それは機械的な方法例えば、ポンプ)を介してこれらの流体を操作することが可能であるが、電気的な方法は、コントロールを小型化し、実装が容易です。しかし、ほとんどの電気技術は、独自の制約を持っている:オン誘電体エレクトロウェッティングは、ささやかな作動のための大規模な(キロボルト)電位、電気毛管現象は、界面張力の比較的小さな変化に影響を与えることができ、連続ELEが必要ですctrowettingは毛細血管内の液体金属のプラグに限定されています。

ここでは、電気化学的な表面反応を介して、ガリウムおよびガリウム系液体金属合金を作動させるための方法を提示します。迅速かつ可逆的に電解液中の液体金属の表面に電気化学ポテンシャルを制御すること(ゼロ近くまで̴500MN / m)の大きさの2以上のご注文によって界面張力を変化させます。さらに、この方法は、非常に控えめな電位(<1 V)を必要と対向電極に対して印加されます。張力の結果として生じる変化は、主に界面活性剤として作用する表面酸化物層の電気化学的堆積によるものです。酸化物の除去は、界面張力、およびその逆を増加させます。この技術は、電解質の多種多様に適用され、それが置かれた基板とは無関係であることができます。

Protocol

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電解液中の液体金属の界面張力の1.操作

  1. 酸化
    1. ペトリ皿に(酸性または塩基性)水性電解質を注ぎます。酸化物が完全に除去されたことを確認するために、0.1 M 24よりも高い濃度例えば、1M NaOHまたは1MのHCl)で、酸または塩基を使用しています。約1〜3ミリメートルの深さに料理を記入しますボリュームを使用してください。これらのソリューションで皮膚を触れないようにしてください。
    2. 電解液中のガリウム系合金の(最適10-500μlの間)のドロップを配置するために、注射器を使用してください。例としては、共晶ガリウムインジウム(EGaIn)またはガリウムインジウムスズ(ガリンスタン)が挙げられます。純粋なガリウムを使用する場合は、凍結を防ぐために少なくとも30℃の電解液を暖めます。
    3. 作用電極を確立するために、液体金属に銅線を配置します。液滴の直径よりも小さい直径を有する銅線を使用して、Eに、製造者の指示に従って、デジタルマルチメータを使用してワイヤは<1Ωの抵抗を有するnsure。酸または塩基では、液体金属は、銅を濡らし、それによって、優れた電気的接触を形成します。
    4. 溶液中ではなく、液体金属と接触して導通し、対向電極例えば、銅、グラファイト、白金、)を配置します。対向電極は、<1Ωの抵抗を持っている場合は、その寸法は無関係です。
    5. 電圧源に配線を接続し、液体金属に正の電位を印加します。小さな形状変形のために、正の電圧適用<大きな形状変形(と対向電極に向けて液体金属の移動)のために1 Vを、適用> 1 Vを
      注:溶液の濃度と対向電極からの落下の距離は、電気化学的な表面酸化の速度は、電解質によって、酸化物溶解速度と競合するので、界面張力の変化を誘発するのに必要な電圧を決定します。
    削減
    1. 空のペトリ皿に、注射器から液体金属の滴(10〜500μl)を分注します。
    2. 金属を水没レベルにペトリ皿に中立水電解液を注ぐ( 例えば 、1Mのフッ化ナトリウム(NaFの)または1M塩化ナトリウム(NaCl)で)。
      注意:酸性(pH <3)または塩基性液(pH> 10)の使用は、酸化物が自然に溶解するようになります。
    3. 作用電極と、対向電極として機能するように、電解質への導線例えば、銅)として機能するように液体金属に銅線を配置します。
    4. 電圧源に配線を接続し、液体金属に負電位を印加します。約適用-1 V表面酸化物を除去し、金属基板からディウェッティングさせます。金属は、対向電極に最も近い側にディウェッティングする必要があります。
    5. 完全に酸化物層を除去するために、より負の電位(<-1 V)を適用します。 excesを適用することは避けてください、異常に大きい負の電圧が原因で、電解質の低下に液体金属上に表示された水素の気泡を防止します。

無茎性飛沫を介した2表面張力測定

  1. レーザーカッターやフライス工具を使用して、ポリメチルメタクリレート(PMMA)(〜1mm厚)の作品の中心から端に直接パスをカットすべての方法PMMAの厚さを貫通してパスを切断しないでください。唯一の途中で約カット。この作品は、液体金属のための基質として機能します。例えば、ガラス、セラミックス、又はポリマーのような他の電気的に平坦な絶縁材料が、基板として機能することができます。
  2. 同じツールを使用すると、PMMAの中心を通って1ミリメートル2穴をカット。
  3. ガイドとしてパスを使用して、PMMAの中央にさらさ先端のみで絶縁した銅線を実行します。それは、PMMA表面上に突出するように、ワイヤーの位置を調整します。漏れ防止接着剤で所定の位置にワイヤーをシール。カットただ、PMMAの表面上のワイヤは、それはあまりにも遠く(〜を超えて100μm)を拡張できないか、またはそれは、ドロップの形状を乱すます。
  4. 鮮明な画像を得ることができるような透明な容器にテープPMMAピースダウン。 1 M NaOHでコンテナを記入し、突出した銅線の上に液体金属の25〜50μlのドロップを置きます。このワイヤは、作用電極として機能し、液滴を濡らします。
  5. 白金メッシュ対電極と溶液中で飽和銀/塩化銀(Ag / AgCl)参照電極を置きます。ポテンショスタットに全ての電極を接続します。
  6. ドロップの表面形状がはっきりと見えるように、接触角ゴニオメータで容器を置きます。参照電極に対する電圧を制御し、形状、それにより液滴の界面張力を測定するために、ゴニオメーターを使用するポテンシオスタットを使用します。ゴニオメータは、液滴界面tensiを測定することが可能であることを確認してくださいに;これは、水平に取り付けられたカメラ 25から撮影した液滴イメージのカスタム軸対称形状解析を使用することも可能です。

3.キャピラリーインジェクション

  1. 1MのNaOH溶液でガラスキャピラリーを記入してください。キャピラリー径は約1 mmでなければなりません。
  2. 液体金属の液滴に対して毛細管フラッシュの一方の端を置きます。それがテーブル(重力すなわち 、垂直)の表面と平行になるように、キャピラリの位置を合わせます。液体金属滴と電解質を充填したキャピラリーとの間のエアギャップを避けてください。組立中に漏洩した可能性のある余分な電解質をオフに軽くたたく、ワイプの使用。
  3. キャピラリーの開放端部に液体金属で銅線(作用電極)と、導電性の対向電極( 例えば銅線)を配置し、それに接触ソリューションように。
  4. 電圧源に配線を接続し、液体金属に正の電位を印加します。液体金属は、cを充填開始する必要がありますapillary(対電極上の余分な泡の形成の原因となる大きな可能性を避けるため)。

4.キャピラリー撤退

  1. ポリジメチルシロキサン(PDMS)からなるマイクロ流体チャネルを製造するために、ソフトリソグラフィ26とレプリカ成形技術を利用しています。 100μmの背の高い、および25〜65 mmの長さ、約100広い〜1000μmであるチャンネルを作ります。
    チャンネルが100μm背の高いワイド千μmで、寸法、および65ミリメートル長いチャネルは、一貫性のある結果が得られたが、他でも動作する可能性があります注意してください。また、ガラスキャピラリー( 例えば 、直径1mm、ホウケイ酸ガラス)の代わりに、PDMSマイクロチャネルを使用しています。
  2. 液体金属を注入し、手動またはチャネルを完全に満たすために、シリンジポンプを使用して( すなわち 、1000μmで、広い100μmの背の高い、と65ミリメートル長いチャネル用の6.5ミリメートル3)。
  3. 1 M NaOH又は1 M HCl中に浸漬した綿棒を使用して、リチウムの過剰量を除去しますそのようにチャネルの入口(及び、必要に応じて、コンセント)から頭の良い金属が、金属はPDMSの頂部表面と同一平面のままです。
  4. それは電解質ではなく、金属に触れる例えば、銅、白金、またはタングステンのワイヤー)ようにアノードを電解質例えば、1MのNaCl)でのチャネルの一方の端を水没し、配置します。
  5. 液体金属自体が陰極として機能するように、チャネルのもう一方の端では、金属表面に別々の電極例えば、Cu配線)に連絡してください。
  6. 電圧源またはポテンショスタットにこれらのワイヤ( すなわち 、アノードとカソード)を接続し、電気回路を完成。 3電極システムの場合は、それはほとんどの電解質の低下に水没するように、参照電極を配置します。
  7. 還元電圧を印加する前に、実験を記録するために、三脚や顕微鏡でビデオカメラを取り付けます。焦点のすべてを取得するためにオートフォーカスモードを使用します。より良いコントロールの上に持ってマニュアルフォーカスを利用フィールド、ホワイトバランス、およびISOの深さ。必要に応じて、より高いFストップ( すなわち 、11以上)、100分の1シャッター、オートホワイトバランス、オートISOを使用しています。
  8. 実験の記録を開始します。マイクロチャネルから液体金属を回収するために約-1 Vを適用します。金属は、中性電解質中に移動を停止させるための電圧をオフにします。

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Representative Results

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1Aは、酸化と還元のための単純な二電極法の一例を示す図です。この例では、液体金属の70μlの滴を1M NaOH溶液に接触して電気接続を確立するための銅線を入れました。 1 M NaOHが金属から表面酸化物を除去し、金属は、その界面張力までビーズにできます。ドロップ白金メッシュ対電極との間に2.5Vの電位を印加すると、液滴の表面を酸化させ、対向電極 1A II)に向かって移動しつつ降下が広がります。液体金属に-1のV電位を印加すると、(水酸化ナトリウムによる酸化物の除去に加えて)酸化物、アップビーズに金属の原因を取り除き、そしてによる還元電位(図 1 に降下に水素の泡を発生させます)。水素の泡が原因おそらく、溶液中のプロトンを低減無料電気化学半反応に白金対向電極上に形成されます。

電気毛管曲線(図 1 B)は、効果的な表面張力酸化物層の形態の劇的な低下を示しています。これらのデータは、飽和Ag / AgCl参照電極を用いて、1 M NaOH中に採取しました。この場合には、開回路電位は、約-1.5 VのAg / AgClの対、および-1.3(点線で示す)のAg / AgClの対Vの近傍に形成された酸化物層でした。 1 MのHCl同様の現象論的挙動の結果が、金属表面上の気泡の形成を使用することは、あっても酸化電位で、視覚分析を困難にします。

(例えば、1 MのNaOHによって除去される)酸化物の非存在下では、裸の ​​液体金属は、高い表面張力の流体であり、Figuに示すように球状を採用再2、A。液体金属の小滴は、1 MのNaOHを充填したキャピラリーチューブに隣接して載置されます。 2 Bに示すようにワイプは、液滴の底から余分な電解質を除去します。銅線はアノードを形成するための液滴に接触し、他方の電極( すなわち 、カソード、 2に示されていない)が、電解質充填キャピラリーチューブの内側にかかっています。 2 のCに示すように、キャピラリ中の電解質は、二つの電極間の回路を完成します。 1 Vを印加すると、先頭の界面における表面張力を低下させ、 2(d)に示すように、毛細管を充填する液体金属を引き起こします。金属管の端部と同一平面上にある場合、この実験は最適です。

これとは対照的に、還元バイアスは、酸化物、皮膚を除去し、私を返します大きな表面張力の状態にタル。その一例は、 3Aに示されています。酸化物皮膜は、中性電解質( 3 あい)に沈め、液体金属の水たまりの形状を安定化させます。還元バイアスの印加 、図3(a)に示すように、金属がアップビーズにできるように、酸化物皮膜を除去する(II-III)。それは毛細血管の行動21を誘導するために 、還元電位を使用するため、私たちは「recapillarity「この技術を呼び出します。この用語の意味は、他の毛細管動作が複数回オンまたはオフにすることができるということです。例えば、EGaInは(4.1に記載したように)そうでなければチャネル金属酸化物を安定化することを低減することにより、PDMSマイクロ流体チャネルから引き出すことができる。 3B -Dは、そのような実験的なシーケンスを示します。

私たちは、インサートキャピラリーの一端に注射針とゆっくりキャピラリーにシリンジから金属を強制的にシリンジプランジャを押してください。我々は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)からなるカスタムホルダーに充填したキャピラリーを配置します。ホルダーは、ワイヤを挿入するための2つのリザーバ、キャピラリを固定するための2つの溝、二つの穴を有しており、また、図 3(b)に示すように、テープオプション定規を有しています。電解質例えば、フッ化ナトリウム水溶液)、図 3(c)に示すように、毛細管の端にアノードを接続している金属を注入した後、容器に添加しました。キャピラリーのもう一方の端の管に接触対向電極内部の金属は、回路を完成させます。 1V削減バイアスを印加すると、撤回し、 3 のDに示すように、陽極から離れて移動する金属が発生します。その後、我々は仮定を比較することによって、離脱速度を測定時間に対する金属のイオン。そのような速度のプロット 、図3(e)示されています。金属がアノードから離れるにつれて速度が減衰します。この減衰速度は、アノードと、液体金属21との間の電気抵抗の増加に起因します。

図1
1(A)、溶液中のドロップと白金対向電極のメッシュに付着した銅線と1MのNaOHに沈めEGaInの低下、。ドロップに適用I)A -1 V電位が上昇ビーズに金属を引き起こし、金属表面上の水素を生成します。 II)のドロップに適用される2.5 Vの可能性が広がって誘導します。 (B)1 M NaOH中EGaIn降下の電気毛管曲線。還元側(銀/塩化銀対-1.4 V以下の電圧)は、従来の電気毛管現象を示しています挙動は、酸化側は表面張力の大幅な低下を示している。 図1Bは、参考1(著作権2014、米国科学アカデミー、米国)から採用され、この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
酸化バイアスを使用して 、図 2 の液体金属キャピラリー注入。(A)液体金属接点の低下、電解質で満たされた毛細管への開口部。 (B)チューブが整列し、ドロップに押し付けられます。 Aワイプ電解質の過剰量を除去します。 (C)この実験設定のラベル画像。 (D)金属へ+1 Vの適用は、表面OXIDを介して金属の表面張力を低下させエーション、および流れを誘導する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
3(A)、1MのNaF溶液中の液体金属の滴。 ⅰ)酸化物は、溶液中で安定で、非球面水たまりができます。 IIは-III)-1のV電位を印加すると、アップビーズに金属を引き起こします。 (B)カスタムメイドアクリル基板は、電極が挿入される2つのリザーバを有しています。 EGaInで満たされた70ミリメートル長い、1ミリメートルのIDガラスキャピラリーは、2つのリザーバにまたがります。基板がしっかりとこのキャピラリに適合するように二つの溝を有しています。 (C)電解質の低下は、1つの容器に添加し、そのまま他のリザーバが残されます。時には微細先端の針を使用することによって最小にすることができる形態は、泡。 ( (E)の撤退速度。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

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この方法は、表面酸化物の堆積及び除去を駆動するために小さな電圧を使用ガリウム系液体金属の表面張力を制御します。メソッドは、電解質溶液中で動作しますが、それは単純で、異なる多種多様な状態で動作しますが、注目すべき微妙な点があります。電位の非存在下で、酸性および塩基性の両方の溶液は、酸化物27をエッチング 。酸化電位の印加は、酸性および塩基性の溶液を含む全ての水性電解質中で表面酸化物の形成を駆動します。しかし、酸性または塩基性溶液中での酸化物の溶解は、酸化物層の過剰な蓄積を防止するために、酸化物の堆積と競合します。厚い酸化物層の形成は、酸化物が移動に対する機械的なバリアを提供するので、おそらく、流れを阻害します。この阻害は、拡散時に有害であるだけでなく、金属の形状を安定化させる方法を提供することができます。

e_content ">界面張力は、ポテンシャルの関数として連続的に変化する。表面張力は、表面酸化物を除去する電位で最大である。(より負)より還元される電位が若干による古典的な電気毛管現象に表面張力を減少します (参照:ファラデープロセス例えば水素形成が)表面で発生するまで、 図1B)は 、この減少は、電位の関数として継続されます。

対照的に、表面張力は、酸化第一の形態( 図1B参照)の電位に有意に低下します。 (正の)電位を増加させると、おそらく表面酸化物の良好な被覆率を、表面張力を低下し続けます。 「臨界電位」を超えて、降下が、際限なく広がるフラクタル状パターンを形成し、対向電極に向かって移動を開始します。この動きは、ドロップが破断するまでコン電圧が除去されるまで継続し、または作用電極とタクト。臨界電位上の領域に形成さ​​れた形状は、まだ調査されているが、ゼロ近傍にある表面張力に起因しています。詳細は文献1に記載されています。

金属の界面張力は、電圧の小さな変化に敏感です。これは、液体金属に印加される電位の上に金属及び制御に優れた電気接点を有することが重要です。また、電解質中の酸または塩基の存在は、酸化物層を溶解することにより電気化学的酸化と競合します。この競合するプロセスは、複雑さのレベルを追加します。界面で発生する複雑なプロセスを理解することが、この方法を進めるために重要となります。

酸化と還元のプロセスは、中と毛細血管のうち金属の流れの制御を提供するために組み合わせることができます。例えば、capillarに金属を注入するために、酸化電位を使用することが可能です( 図3に示すように、主要なメニスカスの界面張力を増加させることによって)毛細管から退避するように金属を誘導するための還元電位を使用し、次いで、及び( 図2に示すように、主要なメニスカスの界面張力を低下させることによって)IES 28,29。注射は撤退よりも遅くなるように思われるが、このアプローチの限界と能力は、まだ完全に決定されるべきです。金属を注入する酸化を使用すると、3つの重要な工程を含みます。まず、キャピラリーは、我々は、金属や金属などの毛細血管の壁の間の水の薄い「スリップ層」を作成信じ電解質、と事前に入力する必要があります。 図3に示すように、第2、キャピラリー内に金属を注入して、金属のビードとキャピラリの端部との間のフラッシュの接触を必要とします。この密接な接触は、電位降下は、電解質/金属界面で発生し、への充電のための経路を確実に防止しますこのint型をバイパスerface。

これは、金属の表面張力を制御するために、2電極または三電極システムのいずれかを使用することが可能です。 2電極システムは、作用電極、対電極、及び電圧源を必​​要とする、最も単純です。 2電極システムは、デモに適しているが、対向電極の電位はドリフトすることができます。敏感な電気化学的測定は、三電極システム( すなわち 、基準電極及びポテンシオスタット)の安定性から恩恵を受ける。このシステムは、電圧のより良い制御を可能にし、現在の正確な読み取りを提供します。

適度な電圧を用いて界面張力を制御する能力は、サブミリメートルの長さスケールでの金属構造体の形状、流量、および位置を制御するための有望な方法です。我々は、形状reconfiguraにおける用途を見出すことができる、この技術は、必要に応じて形状を変える金属構造を作成するために有用であり得ると考えていBLEエレクトロニクス、チューナブルアンテナ、スイッチ、マイクロ流体コンポーネント、optofluidics、および形状シフトメタマテリアル。

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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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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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