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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 at sub-mm length scales. The most common way to alter surface tension between two fluids is to use a surfactant, which is a molecule that spans the interface between the fluids. Surfactants lower surface tension, but in a way that is not easy to reverse since it is difficult to remove surfactants from the interface. Surface tension can also be altered using a variety of techniques, including temperature gradients^2,3, light⁴, surface chemistry^5–7,and voltage⁸. But most of these methods result in modest changes to surface tension, particularly for liquid metals, which have notably large surface tensions.

The ability to control the surface tension of liquid metal could enable new opportunities for creating shape reconfigurable structures with metallic properties for electronic, thermal, and optical applications^9–14. The most common liquid metal is Hg, which is noted for its toxicity. The methods described here are relevant for liquid metals based on gallium. These metals have low viscosity, large surface tension, low volatility (low vapor pressure), and low toxicity¹⁵. Importantly, these metals form surface oxides composed of gallium oxide that are a few nm thick in air¹⁶. This oxide layer creates a physical skin that historically has been a nuisance for electrochemical and fluid dynamic applications¹⁷. The method here utilizes the oxide in new ways to control surface tension.

The most common way to manipulate liquid metals in electrolyte is to apply a potential to the metal relative to a counter electrode¹⁸. Oppositely charged ions from the electrolyte match the charges on the metal, causing the interfacial tension to drop. This phenomenon-termed electrocapillarity-has been known since the 1870s as described by Lippman¹⁹and has been utilized for alloys of gallium²⁰. Typically, electrocapillarity achieves modest changes to surface tension, since undesirable electrochemical reactions limit the range of voltages applied to the metal. In contrast, the method described here utilizes the surface oxidation of the metal (or conversely, the reduction of the surface oxide) as a way to achieve enormous changes in surface tension above and beyond changes resulting from electrocapillarity. The leading explanation for this phenomenon is that the oxide is asymmetric; that is, the outer surface of the oxide terminates with hydroxyl groups (making a low interfacial tension interface with the aqueous electrolyte), and the interior surface of the oxide terminates with gallium atoms (making a low interfacial tension interface with the metal). In contrast, the removal of the oxide via electrochemical reduction results in a bare metal-electrolyte interface, which returns the metal back to a state of high surface tension. We characterize the interfacial tension of the metal by analyzing the shape of sessile droplets as a function of voltage while assuming that gravity and surface tension are the dominant forces that define the curvature of its surface.

The advantage of this technique relative to classic electrocapillarity is that it can reversibly tune the tension of low toxicity liquid metals over enormous ranges (from ~500 mN/m to near zero). This delta change in surface tension may be the largest ever reported in literature for any fluid and it can be accomplished in a tunable and reversible manner. These large changes in surface tension are useful for manipulating the capillary behavior of metals; for example, it can induce the metal to spread on a surface, withdraw the metal from microchannels, fill microchannels with metal, and overcome the Rayleigh instabilities to form liquid metal fibers^1,21.

A drawback of this technique is that it requires electrolyte. It works best in acidic or basic conditions, because these electrolytes remove excess surface oxide that would otherwise contaminate the surface of the metal and mechanically restrict the movement of the metal. The simultaneous removal and deposition of the oxide layer complicates the analysis of the interfacial phenomena and it is our hope the methods described in this paper empowers additional analysis. Another disadvantage is that the electrochemical reactions at the surface of the metal must be matched by complimentary half-reactions at the counter electrode^22,23. This can lead to hydrogen bubbles forming at the counter electrode.

Protocol

1. Manipulering av gränsytespänningen av Liquid Metal i elektrolyt Oxidation 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. Använd en spruta för att placera en drop…

Representative Results

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…

Discussion

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 …

Materials

Eutectic Gallium Indium	Indium Corporation
Sodium Hydroxide	Fisher Scientific	2318-3
Hydrochloric Acid	Fisher Scientific	A481-212
Sodium Fluoride	Sigma-Aldrich	201154
Optical Adhesive	Norland	NOA81
Polydimethylsiloxane (Sylgard-184)	Dow Corning		Silicone Elastomer Kit
Borosilicate Glass Capillaries	Friedrich and Dimmoch	B41972
Ag/AgCl Reference Electrode	Microelectrodes Inc.	MI-401F
Voltage Source	Keithley	3390
Potentiostat	Gamry	Ref 600
Laser Cutter	Universal Laser Systems	VLS 3.50