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

Zusammenfassung

Wir stellen eine Methode vor, um die Grenzflächenenergie eines flüssigen Metalls in einem Elektrolyten durch elektrochemische Abscheidung (oder Entfernung) einer Oberflächenoxidschicht zu kontrollieren. Diese einfache Methode kann das Kapillarverhalten von flüssigen Metallen auf Galliumbasis steuern, indem die Grenzflächenenergie mit moderaten Spannungen schnell, signifikant und reversibel abgestimmt wird.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Diese Methode bietet eine einfache Möglichkeit, die Oberflächenspannung von flüssigen Metallen, die Gallium enthalten, zu steuern. Das Verfahren verwendet bescheidene Spannungen (~1 V), die direkt an das flüssige Metall angelegt werden (relativ zu einer Gegenelektrode in Gegenwart von Elektrolyt), um enorme und reversible Änderungen der Oberflächenspannung des Metalls¹ zu erreichen.

Die Oberflächenspannung ist eine dominante Kraft für Flüssigkeiten auf kleinen Längenskalen und ist wichtig für eine Reihe von Kapillarphänomenen, einschließlich Benetzung, Ausbreitung und Oberflächenspannungsströmung. Folglich ist die Möglichkeit, d....

Protokoll

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 Lösungen.
   2. Mit einer Spritze, um einen Tropfen (optimal zwischen 10-500 ul) einer Gallium-Basis-Legierung im Elektrolyt zu platzieren. Beispiele hie....

Ergebnisse

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 2,5-V-Po.......

Diskussion

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 Oxidationspoten.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Eutektisches Gallium Indium Indium
Natriumhydroxid	Fisher Scientific	2318-3
Salzsäure	Fisher Scientific	A481-212
Natriumfluorid	Sigma-Aldrich	201154
Optischer Klebstoff	Norland	NOA81
Polydimethylsiloxan ( Sylgard-184)	Dow Corning		Silikonelastomer Kit
Borosilikatglas Kapillaren	Friedrich und Dimmoch	B41972
Ag/AgCl Referenzelektrode	Mikroelektroden Inc.	MI-401F
Spannungsquelle	Keithley	3390
Potentiostat	Gamry	Ref 600
Laser Cutter	Universal Laser Systems	VLS 3.50

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