En metode for å manipulere overflatespenningen i en Liquid Metal via Surface Oksidasjon og reduksjon

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.

Kontrollere grenseflatespenning er en effektiv metode for å manipulere form, posisjon, og strømmen av væske på sub-millimeter lengdeskala, der overflatespenningen er en dominerende kraft. En rekke metoder finnes for styring av grenseflatespenning i vandige og organiske væsker på denne skalaen; imidlertid har disse teknikkene begrenset nytte for flytende metaller på grunn av deres store grenseflatespenningen.

Flytende metaller kan danne myke, elastiske, og formrekonfigurer komponenter i elektroniske og elektromagnetiske enheter. Selv om det er mulig å manipulere disse fluider via mekaniske metoder (for eksempel pumping), elektriske metoder er enklere å miniatyrisere, kontroll, og implementere. Men de fleste elektriske teknikker har sine egne begrensninger: electrowetting-on-dielektrisk krever store (kV) potensial for moderat aktuering, electrocapillarity kan påvirke forholdsvis små endringer i grenseflatespenning, og kontinuerlig electrowetting er begrenset til plugger av det flytende metall i kapillærer.

Her presenterer vi en fremgangsmåte for aktivering av gallium og gallium-baserte flytende metall-legeringer ved hjelp av en elektrokjemisk overflatereaksjon. Regulering av elektrokjemisk potensial på overflaten av det flytende metall på elektrolytt hurtig og reversibelt forandrer grenseflatespenningen med mer enn to størrelsesordener (̴500 mN / m til nær null). Videre krever denne fremgangsmåte bare en meget beskjeden potensial (<1 V) anvendes i forhold til en motelektrode. Den resulterende endring i spenning skyldes i første rekke den elektrokjemiske avsetning av et overflate oksydlag, som virker som et overflateaktivt middel; fjerning av oksyd øker grenseflatespenning, og vice versa. Denne teknikken kan brukes i en rekke forskjellige elektrolytter og er uavhengig av underlaget på hvilket det hviler.

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. Manipulering av overflatespenningen av Liquid Metal i elektrolytt

1. Oksidasjon
   1. Helle en vandig elektrolytt (sur eller basisk) i en petriskål. For å sikre at oksydet er helt fjernet ved å bruke en syre eller base med en konsentrasjon høyere enn 0,1 ^M 24 (for eksempel 1 M NaOH og 1 M HCl). Bruker et volum som vil fylle formen til en dybde på omtrent 1-3 mm. Unngå å kontakte huden med disse løsningene.
   2. Benytte en sprøyte for å plassere en dråpe (optimalt mellom .......

Figur 1 A viser et eksempel på det enkle to-elektrode teknikk for oksydasjon og reduksjon. I dette tilfellet, til en 70 pl dråpe av det flytende metall anbragt i en 1 M NaOH-løsning i kontakt med en kobbertråd etablere en elektrisk forbindelse. Den 1 M NaOH fjerner overflateoksydet fra metallet og tillater metallet å perle opp på grunn av dens grenseflatespenning. Bruk av en 2,5 V potensial mellom dråpen og en platina motelek.......

Denne fremgangsmåten kontrollerer overflatespenningen av gallium-baserte flytende metaller ved hjelp av små spenninger for å drive avsetning og fjernelse av en overflate oksyd. Selv om fremgangsmåten virker bare i elektrolyttoppløsninger, er det enkelt, og arbeider i et bredt utvalg av forskjellige betingelser, men det er verdt å merke seg nyanser. I fravær av elektrisk potensial, både sure og basiske løsninger etse bort oksyd ^27. Anvendelsen av en oksyderende potensial driver dannelse av overf.......

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.