清华大学刘静团队：千变万化的液态金属气泡

来源： 高分子科学前沿

五彩斑斓的肥皂泡是每个人的童年记忆！如果仔细观察，会发现这样的泡状物几乎存在于日常生活的方方面面，例如雨后的池塘、炉上的沸水乃至日光下产生氧气的绿藻中。液体泡的产生与表面张力有着密不可分的关系。而常见的泡状物大多在水基或脂基溶液体系中产生，这些溶液的表面张力通常低于100mN/m。试想，若在表面张力远大于这个数值的液体系统中研究该行为，那么到底会产生什么样的气泡以及它们会否表现出更为奇异的现象、行为及应用呢？

近日，清华大学与中科院理化技术研究所联合研究小组以表面张力可达水的9倍的液态金属为基础，构建出一种全新概念的液态金属气泡系统。通过在液态金属中构建“成氧化膜”及“去氧化膜”环境对其表面氧化膜予以调控，从而实现了对液态金属表面的精确调节。这一成果以”Liquid metal bubbles”为题发表在Applied Materials Today上，论文第一作者是清华大学医学院生物医学工程系博士后袁博，通讯作者为清华大学与中科院理化所双聘教授刘静。

图1 日常场景中常见的气泡及液态金属气泡相关原理

图2. 液态金属在不同介质中表面氧化膜性质表征

实验中，研究者们选取了空气、0.5mol/L氢氧化钠溶液及质量分数为30%过氧化氢溶液作为介质环境，以镓铟合金（eGaIn）及镓铟锡合金（Galinstan）作为反应金属，向其中以不同流速充入气体。根据充气速率的不同，可观察到液态金属表面鼓起，并形成周期性的半球形气泡。图3及图4展示了不同介质环境下eGaIn及Galinstan气泡生成至破灭的全周期过程，主要分为初始、膨胀、消失及破灭四个阶段。可以看到，液态金属气泡的形态及存续时间受到流速、环境及金属种类等因素的影响，可以通过调节这三项参数实现对气泡尺寸及寿命的定量调控。值得注意的是，在过氧化氢溶液环境中，镓铟锡合金中所产生的液态金属泡泡可以稳定维持18个小时以上，这是传统种类的气泡很难做到的。

图3. 不同介质环境下eGaIn气泡生成至破灭的全周期过程

图4. 不同介质环境下Galinstan气泡生成至破灭的全周期过程及相关性质

图5. 不同介质对液态金属表面氧化膜的调控作用

不同于传统气泡的是，液态金属气泡的气泡壁表现为氧化物-液态金属-氧化物的三明治结构。如果进一步将输入液态金属中的空气换成其它介质溶液，构成介质溶液-输入溶液双流体系统，通过对“成膜剂”和“去膜剂”的不同组合，可以实现对液态金属表面更为多样的形态调控。图6展示了双流体系统下液态金属表面的多形态调控，实现了包括洞状及多气泡簇状等较为复杂的结构，并对各结构的尺寸、寿命等基本性质进行了研究。

图6. 双流体系统下的液态金属表面生成的复杂结构及性质表征

液态金属氧化膜的电阻和液态金属本身有着很大的差异，包括粘性、电阻率及化学性质。研究中借助控制液态金属表面氧化膜的生成与去除，可对液态金属表面形态实施调控，且可通过蠕动泵实现对其表面形态的周期性控制。基于上述事实，作者们提出并设计出一种周期性变化的控制部件。基于单气泡、洞状及这三个基本模式，可以利用其性质建立起更为复杂的电路结构，例如与或非逻辑部件（图7）。其中，“与”门（AND）的输入信号的电极位置可以安排在距气泡生成点中心一个气泡半径至脊状结构最大半径之间，只有生成多个气泡构成脊状结构时电路才能连通；“或”门（OR）可以是将输入端放置于多个生成点区域，只要有一个气泡生成即可连通；而“非”门（NOT）则基于洞状结构设计，在洞状结构未生成时，电路处于连通状态，洞状结构生成后，一旦其半径足够大，电极即与之脱离接触，此时电路断开。这种调控方法仅需改变介质溶液与输入溶液的种类即可实现，为构建基于化学变化的逻辑器件电路提供了新的可能性。

图5 基于对液态金属表面形态调控的周期性电路设计

进一步地，可以利用这一性质对液态金属进行阵列式多点多形态调控。图7展示了一种可对液态金属表面进行多点调控的阵列设计。当通气量较小时，生成的气泡直径较小，彼此间不互相接触，保持独立存在。利用这一点，可以对一整片区域的液态金属表面进行定点塑形。此外，气体的输入可以被该种方式转换为可视化的氧化膜形态改变，对新型的立体显示乃至信息存储技术都有一定的启发意义。

图5 基于对液态金属表面形态调控的周期性电路设计

这项研究提出了一种新的无需外加电磁场即可对液态金属表面进行精准调控的方法，对液态金属未来在软体机器人、逻辑电路及水下电路等方面的应用会起到积极的促进作用。
文章链接：
DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101151