近日，中國科學院理化所聯(lián)合清華大學研究組，首次報道了金屬液滴可在同類液態(tài)金屬表面實現(xiàn)沖浪運動的效應，并發(fā)現(xiàn)特定金屬顆?？稍跐櫇褚簯B(tài)金屬表面后持續(xù)誘發(fā)其發(fā)生大范圍流動與變形的效應，據(jù)此建立了全新的液態(tài)金屬流場示蹤方法，并研發(fā)出系列高性能液態(tài)金屬功能材料。
研究團隊以Surfing Liquid Metal Droplet on the Same Metal Bath via Electrolyte Interface為題的論文發(fā)表在Applied Physics Letters上，科研人員發(fā)現(xiàn)了一類有趣的液態(tài)金屬沖浪效應（圖1）：借助電場觸發(fā)，處于電解液（如0.25 mol/L NaOH）內的液態(tài)金屬（如GaIn24.5）可在同類液態(tài)金屬表面上實現(xiàn)懸浮而不互融，且可隨界面的流動而滑移，如同順著海潮的沖浪現(xiàn)象；若將金屬液滴從5cm高處滴落，當其撞擊到金屬液池的表面時能夠反彈一定的高度，之后再次回落到界面上繼續(xù)保持懸浮狀態(tài)；一簇金屬液滴可在界面上發(fā)生相互碰撞融合，能保持與下部液體相互隔離的狀態(tài)。造成這一現(xiàn)象的機制在于，電勢梯度導致的表面張力差可使液態(tài)金屬-溶液界面產(chǎn)生流動，繼而在上部液滴與下部液池之間形成一層不斷更新的極薄電解液膜，將處在界面上的金屬液滴托舉起來。被懸浮的金屬液滴體積可從20μL到3mL不等，穩(wěn)定懸浮時長可超過十分鐘。這種金屬液滴的沖浪效應可通過加載電壓的大小來加以靈活調控，一旦撤去電場，懸浮液滴會立刻與下部的金屬液池融合在一起。測量發(fā)現(xiàn)，上部金屬液滴與下部金屬液池之間的液膜電阻在~100ohm量級，借助液膜電阻與厚度關系理論模型，可計算出液膜厚度處于~100μm量級。液態(tài)金屬沖浪效應的發(fā)現(xiàn)，開辟了對于液態(tài)金屬在液體基底上運動行為的研究，對深入理解液態(tài)金屬表面與界面現(xiàn)象，研發(fā)全液態(tài)可變形電子器件，以及操控液態(tài)金屬柔性機器等具有重要的科學價值和應用前景。
題為Triggering and Tracing Electro-Hydrodynamic Liquid-Metal Surface Convection with a Particle Raft的論文發(fā)表在Advanced Materials Interfaces上，研究小組在偶然的實驗中發(fā)現(xiàn)一個基礎現(xiàn)象，即撒落在液態(tài)金屬表面的銅粉被潤濕后能夠持續(xù)誘發(fā)其發(fā)生大范圍流動與變形（圖2），彰顯“小顆粒，大作用”。該效應被證實為一種表面張力梯度驅動的流動，表面張力的不均勻分布來自于有著不同表面電荷密度的金屬顆粒與液態(tài)金屬間的耦合作用。該現(xiàn)象表明，對于液態(tài)金屬這一獨特的流體物質而言，即便只與很小的金屬顆粒接觸，其自身狀態(tài)也極易發(fā)生改變。黏附于液態(tài)金屬表面且隨其流動的金屬顆粒在實驗觀測中清晰可視，研究人員為此創(chuàng)造性的將顆粒引入作為液態(tài)金屬流動狀態(tài)的天然示蹤粒子，獲得了對液態(tài)金屬流場的可視化和定量化測定，從而揭示了其中的獨特對流模式。此前，液態(tài)金屬由于自身不透明，表面極為光滑，光反射率高，已有的實驗技術難以獲得其流場信息，甚至不能對液態(tài)金屬內部是否存在流動做出判斷，使相應問題的研究始終處于停滯狀態(tài)。此項發(fā)現(xiàn)為此建立了重要的研究工具；利用微小顆粒驅動大尺度流體也為構筑液體表面泵和智能流體系統(tǒng)提供了自驅動方案。
此外，在實驗室前期發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬胞吞效應基礎上，聯(lián)合團隊研發(fā)出一系列電學、熱學及力學性能可調的高性能液態(tài)金屬功能材料?？蒲腥藛T在ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表的題為Transitional-State Metallic Mixtures (TransM2ixes) with Enhanced and Tuneable Electrical, Thermal and Mechanical Properties的論文，研究小組發(fā)現(xiàn)，結合液態(tài)金屬胞吞效應并采用真空干燥的方法快速排除液態(tài)金屬混合物中的溶液成分，可得到均勻、穩(wěn)定的功能物質（圖3）。由此，通過在液態(tài)金屬中可控性摻入不同比例的銅顆粒，研究人員研發(fā)出了一系列物態(tài)介于液體和固體之間的金屬混合物。系列測試揭示出這些材料顯著的電學、熱學及力學性能：在20%的顆粒質量摻比情況下，分別可獲得相對于液態(tài)金屬約80%的電導率增強和約100%的熱導率增強。同時，研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物的摻入顯著的提升了材料對各種基底表面的粘附性以及材料自身的可塑性。這些性質的增強和改變，使液態(tài)金屬混合材料在印刷電子電路、3D快速塑形、增材制造以及界面熱管理等領域的應用優(yōu)勢更突出。這種材料可控增強與設計方法的建立，也使未來制備用以滿足特殊需求的液態(tài)金屬功能材料成為可能。
上述研究得到中科院院長基金、前沿科學重點項目及教育部聯(lián)合基金的資助。
圖1.液態(tài)金屬沖浪效應及金屬液滴-池界面間薄液膜的臺階形電阻響應現(xiàn)象
圖2.期刊封面故事及顆粒驅動的液態(tài)金屬流動及其局部與整體流場可視化結果
圖3.功能液態(tài)金屬材料制備、成分與性能表征及印壓塑型等系列應用展示
來源：中國科學院理化技術研究所
