清華大學(xué)劉靜團(tuán)隊：千變?nèi)f化的液態(tài)金屬氣泡

來源： 高分子科學(xué)前沿

五彩斑斕的肥皂泡是每個人的童年記憶！如果仔細(xì)觀察，會發(fā)現(xiàn)這樣的泡狀物幾乎存在于日常生活的方方面面，例如雨后的池塘、爐上的沸水乃至日光下產(chǎn)生氧氣的綠藻中。液體泡的產(chǎn)生與表面張力有著密不可分的關(guān)系。而常見的泡狀物大多在水基或脂基溶液體系中產(chǎn)生，這些溶液的表面張力通常低于100mN/m。試想，若在表面張力遠(yuǎn)大于這個數(shù)值的液體系統(tǒng)中研究該行為，那么到底會產(chǎn)生什么樣的氣泡以及它們會否表現(xiàn)出更為奇異的現(xiàn)象、行為及應(yīng)用呢？

近日，清華大學(xué)與中科院理化技術(shù)研究所聯(lián)合研究小組以表面張力可達(dá)水的9倍的液態(tài)金屬為基礎(chǔ)，構(gòu)建出一種全新概念的液態(tài)金屬氣泡系統(tǒng)。通過在液態(tài)金屬中構(gòu)建“成氧化膜”及“去氧化膜”環(huán)境對其表面氧化膜予以調(diào)控，從而實現(xiàn)了對液態(tài)金屬表面的精確調(diào)節(jié)。這一成果以”Liquid metal bubbles”為題發(fā)表在Applied Materials Today上，論文第一作者是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系博士后袁博，通訊作者為清華大學(xué)與中科院理化所雙聘教授劉靜。

圖1 日常場景中常見的氣泡及液態(tài)金屬氣泡相關(guān)原理

圖2. 液態(tài)金屬在不同介質(zhì)中表面氧化膜性質(zhì)表征

實驗中，研究者們選取了空氣、0.5mol/L氫氧化鈉溶液及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%過氧化氫溶液作為介質(zhì)環(huán)境，以鎵銦合金（eGaIn）及鎵銦錫合金（Galinstan）作為反應(yīng)金屬，向其中以不同流速充入氣體。根據(jù)充氣速率的不同，可觀察到液態(tài)金屬表面鼓起，并形成周期性的半球形氣泡。圖3及圖4展示了不同介質(zhì)環(huán)境下eGaIn及Galinstan氣泡生成至破滅的全周期過程，主要分為初始、膨脹、消失及破滅四個階段�？梢钥吹�，液態(tài)金屬氣泡的形態(tài)及存續(xù)時間受到流速、環(huán)境及金屬種類等因素的影響，可以通過調(diào)節(jié)這三項參數(shù)實現(xiàn)對氣泡尺寸及壽命的定量調(diào)控。值得注意的是，在過氧化氫溶液環(huán)境中，鎵銦錫合金中所產(chǎn)生的液態(tài)金屬泡泡可以穩(wěn)定維持18個小時以上，這是傳統(tǒng)種類的氣泡很難做到的。

圖3. 不同介質(zhì)環(huán)境下eGaIn氣泡生成至破滅的全周期過程

圖4. 不同介質(zhì)環(huán)境下Galinstan氣泡生成至破滅的全周期過程及相關(guān)性質(zhì)

圖5. 不同介質(zhì)對液態(tài)金屬表面氧化膜的調(diào)控作用

不同于傳統(tǒng)氣泡的是，液態(tài)金屬氣泡的氣泡壁表現(xiàn)為氧化物-液態(tài)金屬-氧化物的三明治結(jié)構(gòu)。如果進(jìn)一步將輸入液態(tài)金屬中的空氣換成其它介質(zhì)溶液，構(gòu)成介質(zhì)溶液-輸入溶液雙流體系統(tǒng)，通過對“成膜劑”和“去膜劑”的不同組合，可以實現(xiàn)對液態(tài)金屬表面更為多樣的形態(tài)調(diào)控。圖6展示了雙流體系統(tǒng)下液態(tài)金屬表面的多形態(tài)調(diào)控，實現(xiàn)了包括洞狀及多氣泡簇狀等較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并對各結(jié)構(gòu)的尺寸、壽命等基本性質(zhì)進(jìn)行了研究。

圖6. 雙流體系統(tǒng)下的液態(tài)金屬表面生成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)表征

液態(tài)金屬氧化膜的電阻和液態(tài)金屬本身有著很大的差異，包括粘性、電阻率及化學(xué)性質(zhì)。研究中借助控制液態(tài)金屬表面氧化膜的生成與去除，可對液態(tài)金屬表面形態(tài)實施調(diào)控，且可通過蠕動泵實現(xiàn)對其表面形態(tài)的周期性控制。基于上述事實，作者們提出并設(shè)計出一種周期性變化的控制部件�；�于單氣泡、洞狀及這三個基本模式，可以利用其性質(zhì)建立起更為復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，例如與或非邏輯部件（圖7）。其中，“與”門（AND）的輸入信號的電極位置可以安排在距氣泡生成點(diǎn)中心一個氣泡半徑至脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)最大半徑之間，只有生成多個氣泡構(gòu)成脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)時電路才能連通；“或”門（OR）可以是將輸入端放置于多個生成點(diǎn)區(qū)域，只要有一個氣泡生成即可連通；而“非”門（NOT）則基于洞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，在洞狀結(jié)構(gòu)未生成時，電路處于連通狀態(tài)，洞狀結(jié)構(gòu)生成后，一旦其半徑足夠大，電極即與之脫離接觸，此時電路斷開。這種調(diào)控方法僅需改變介質(zhì)溶液與輸入溶液的種類即可實現(xiàn)，為構(gòu)建基于化學(xué)變化的邏輯器件電路提供了新的可能性。

圖5 基于對液態(tài)金屬表面形態(tài)調(diào)控的周期性電路設(shè)計

進(jìn)一步地，可以利用這一性質(zhì)對液態(tài)金屬進(jìn)行陣列式多點(diǎn)多形態(tài)調(diào)控。圖7展示了一種可對液態(tài)金屬表面進(jìn)行多點(diǎn)調(diào)控的陣列設(shè)計。當(dāng)通氣量較小時，生成的氣泡直徑較小，彼此間不互相接觸，保持獨(dú)立存在。利用這一點(diǎn)，可以對一整片區(qū)域的液態(tài)金屬表面進(jìn)行定點(diǎn)塑形。此外，氣體的輸入可以被該種方式轉(zhuǎn)換為可視化的氧化膜形態(tài)改變，對新型的立體顯示乃至信息存儲技術(shù)都有一定的啟發(fā)意義。

圖5 基于對液態(tài)金屬表面形態(tài)調(diào)控的周期性電路設(shè)計

這項研究提出了一種新的無需外加電磁場即可對液態(tài)金屬表面進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控的方法，對液態(tài)金屬未來在軟體機(jī)器人、邏輯電路及水下電路等方面的應(yīng)用會起到積極的促進(jìn)作用。
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DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101151