En metod för att manipulera Ytspänning av en flytande metall genom ytoxidation och 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.

Styra fasgränsspänning är en effektiv metod för att manipulera formen, positionen, och flöde av vätskor på sub-millimeterlängdskalor, där gränsytespänning är en dominerande kraft. En mängd olika metoder finns för styrning av gränsytspänning av vattenhaltiga och organiska vätskor på denna skala; emellertid har dessa tekniker begränsad användbarhet för flytande metaller på grund av deras stora gränsytspänningen.

Flytande metaller kan bilda mjuka, töjbara och formrekonfigurerbara komponenter i elektroniska och elektromagnetiska anordningar. Fastän det är möjligt att manipulera dessa fluider via mekaniska metoder (t.ex., pumpning), elektriska metoder är lättare att miniatyrisera, kontroll, och genomföra. De flesta elektriska tekniker har dock sina egna begränsningar: electrowetting-on-dielektrikum kräver stora (kV) potentialer för blygsamma påverkan kan electrocapillarity påverka relativt små förändringar i ytspänningen, och kontinuerlig electrowetting är begränsad till pluggar av den flytande metallen i kapillärer.

Här presenterar vi en metod för att påverka gallium och gallium-baserade flytande metallegeringar via en elektrokemisk ytreaktion. Styra den elektrokemiska potentialen på ytan av den flytande metallen i elektrolyten snabbt och reversibelt ändrar gränsytspänningen av över två storleksordningar (̴500 mN / m till nära noll). Dessutom kräver denna metod endast en mycket blygsam potential (<1 V) appliceras i förhållande till en motelektrod. Den resulterande ändringen i spänning beror främst på den elektrokemiska avsättningen av en yta oxidskikt, som fungerar som ett ytaktivt medel; avlägsnande av oxiden ökar gränsytspänningen, och vice versa. Denna teknik kan tillämpas på ett stort antal olika elektrolyter och är oberoende av substratet på vilket den vilar.

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 gränsytespänningen av Liquid Metal i elektrolyt

1. Oxidation
   1. Häll en vattenhaltig elektrolyt (sur eller basisk) i en petriskål. För att säkerställa att oxiden tas fullständigt bort, använda en syra eller bas med en koncentration större än 0,1 M ²⁴ (t.ex. ett M NaOH eller 1 M HCl). Använd en volym som kommer att fylla skålen till ett djup av cirka 1-3 mm. Undvik kontakt med huden med dessa lösningar.
   2. Använd en spruta för att placera en drop.......

Figur 1 A visar ett exempel på det enkla två-elektrodteknik för oxidation och reduktion. I detta fall, för att en 70 pl droppe av den flytande metallen i en 1 M NaOH-lösning i kontakt med en koppartråd upprätta en elektrisk förbindelse. Den 1 M NaOH avlägsnar ytoxiden från metallen och tillåter metallen formas till droppar på grund av dess gränsytspänning. Tillämpa en 2,5 V potential mellan droppen och en platina mesh.......

Denna metod kontrollerar ytspänningen för gallium-baserade flytande metaller med användning av små spänningar för att driva deponerings och avlägsnande av en ytoxid. Även om förfarandet fungerar bara i elektrolytlösningar, är det enkelt, och arbetar i en stor mångfald av olika förhållanden, men det finns nyanser värda att notera. I avsaknad av elektrisk potential, både sura och basiska lösningar etsar bort oxiden ^27. Tillämpningen av en oxidativ potential driver bildandet av ytan oxid .......

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.