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

We present a method to control the interfacial energy of a liquid metal in an electrolyte via electrochemical deposition (or removal) of a surface oxide layer. This simple method can control the capillary behavior of gallium-based liquid metals by tuning the interfacial energy rapidly, significantly, and reversibly using modest voltages.

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.

This method provides a simple way to control the surface tension of liquid metals containing gallium. The method uses modest voltages (~1 V) applied directly to the liquid metal (relative to a counter electrode in the presence of electrolyte) to achieve enormous and reversible changes to the surface tension of the metal¹.

Surface tension is a dominant force for liquids at small length scales and is important for a number of capillary phenomena including wetting, spreading, and surface-tension driven flow. Consequently, the ability to control surface tension is a sensible way to manipulate the shape, position, and flow of liquids....

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.......

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,.......

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 Oxidatio.......

The authors acknowledge support from Samsung, the NC State Chancellors Innovation Funds, NSF (CAREER CMMI-0954321 and Triangle MRSEC DMR-1121107), and Air Force Research Labs.