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Adv Mater. 石墨表面上的液态金屬操控!

近日,中國科學院理化技術研究所低溫生物與醫學研究組首次報道了液态金屬可在石墨表面以任意形狀穩定呈現的自由塑型效應,并實現了逆重力方式的攀爬運動,研究以封面文章形式發表于《先進材料》。此前,金屬液滴因自身表面張力較大,在電解液中通常以球形方式存在,塑形能力及變形模式相對有限。

在這篇題為《石墨表面上的液态金屬操控》的論文中,研究組首次發現通過引入石墨基底,可靈活自如地将處于電解液環境中的液态金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環形以及更多任意形狀(圖1)。迄今,液态金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀,然而一旦去除外場,液态金屬即會在其表面張力作用下迅速回縮成球形,無法維持先前的結構。此次發現的液态金屬自由鋪展與塑型效應,為柔性變形機器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。

圖1 期刊封面故事及液态金屬在石墨表面的自由鋪展與塑形效應

實驗表明,将一滴液态金屬置于浸沒在氫氧化鈉溶液中的石墨表面上時,液态金屬會自動攤開形成扁平的煎餅狀,這與位于玻璃基底上以球形方式呈現的液态金屬非常不同(圖1)。引發這類鋪展效應的原因主要來自液态金屬與石墨基底間的電化學相互作用。在堿性溶液中,石墨表面通常帶正電荷,而液态金屬表面帶負電荷,當這兩種導體接觸時,電荷會從液态金屬流向石墨,液态金屬表面被氧化形成氧化膜,這會顯著降低其表面張力,此時液态金屬表現為類似于泥漿的狀态,由此可被随意塑造成各式各樣的形狀。

該項研究首次實現了在開放液體環境中的液态金屬自由塑形,突破了原有的液态金屬元件調控模式,在不定形柔性電子器件、可變形智能機器的設計乃至先進制造方面有重要價值。

進一步地,基于石墨表面的液态金屬自由塑形效應,研究人員探索了電場作用下液态金屬不同于傳統基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學圖景(圖2),初步揭示了其獨特的變形及匍匐運動行為的内在機制。

 

圖2 石墨基底表面的液态金屬在外電場作用下的變形與匍匐運動行為

有趣的是,作者們還首次揭示出處于自由空間下的電控液态金屬的蠕動爬坡能力,實現了逆重力方式的運動(圖3);而采用常規材料,液态金屬會因自身重力較大且表面光滑難以攀爬的緣故,不易通過外電場實現逆重力牽引。新發現擴展了近年來興起的液态金屬柔性機器的理論與技術内涵。此項研究得到中科院院長基金特别支持項目資助。

 

圖3 電控液态金屬以蠕動變形方式在石墨斜坡上逆重力攀爬的情形(側視及俯視圖)

來源:材料科學與工程

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