Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали метод управления поверхностным натяжением жидких металлов путем подачи очень низких напряжений, открыв дверь для нового поколения реконфигурируемых электронных схем, антенн и других технологий. Этот метод основан на том факте, что оксидная «кожа» металла, которую можно осадить или удалить, действует как поверхностно-активное вещество, снижая поверхностное натяжение между металлом и окружающей жидкостью.
Исследователи использовали жидкий металлический сплав галлия и индия. В основе голый сплав имеет удивительно высокое поверхностное натяжение, около 500 миллиньютонов (мН)/метр, что заставляет металл сворачиваться в сферическую каплю.
Но мы обнаружили, что применение небольшого положительного заряда - менее 1 вольта - вызывает электрохимическую реакцию, которая создает оксидный слой на поверхности металла, резко снижая поверхностное натяжение с 500 мН/метр до примерно 2 мН/метр», - говорит доктор Майкл Дики, адъюнкт-профессор химической и биомолекулярной инженерии в штате Северная Каролина и старший автор статьи, описывающей работу. «Это изменение позволяет жидкому металлу растекаться, как блин, под действием силы тяжести».
Исследователи также показали, что изменение поверхностного натяжения обратимо. Если исследователи меняют полярность заряда с положительной на отрицательную, оксид удаляется и восстанавливается высокое поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение можно настроить между этими двумя крайними значениями, изменяя напряжение небольшими шагами. Видео техники в действии доступно в Интернете (https://www.youtube.com/embed/mB2ZqO5E1Zo).
«Результирующие изменения поверхностного натяжения являются одними из самых больших из когда-либо зарегистрированных, что примечательно, учитывая, что им можно управлять менее чем одним вольтом», - говорит Дики.«Мы можем использовать эту технику для управления движением жидких металлов, что позволит нам изменять форму антенн и замыкать или разрывать цепи. Ее также можно использовать в микрожидкостных каналах, МЭМС, фотонных и оптических устройствах. Многие материалы образуют поверхностные оксиды., так что работа может выходить за рамки изучаемых здесь жидких металлов."
Лаборатория Дики ранее продемонстрировала технику «трехмерной печати» жидких металлов, в которой использовался оксидный слой, сформированный на воздухе, чтобы помочь жидкому металлу сохранить свою форму - полная противоположность тому, что оксидный слой делает с жидким металлом. сплав в основном растворе.
«Мы считаем, что механические свойства оксида в простой среде отличаются от свойств в окружающем воздухе», - говорит Дики.
Доклад «Гигантская и переключаемая поверхностная активность жидкого металла посредством поверхностного окисления» будет опубликован онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences в течение недели с 15 сентября. Ведущими авторами статьи являются Мохаммад Рашед Хан и Коллин Икер, доктор философии. студенты штата Северная Каролина. Статья была написана в соавторстве с доктором Эдмондом Боуденом, профессором химии в штате Северная Каролина.
Исследование было поддержано грантом CAREER Национального научного фонда (NSF) под номером CMMI-0954321 и Исследовательским треугольником NSF по исследованию материалов и инженерным центром по программируемой мягкой материи под номером гранта DMR-1121107.