理化所發現電場誘導的液態金屬射流基礎現象及其用途

2020-12-06 中國科學院

　　近日，由劉靜研究員及何志祝博士帶領的中國科學院理化技術研究所研究小組，首次發現了一種獨特的極低電壓誘發的液態金屬射流現象，為金屬微滴乃至固體顆粒的快速製備和精確操控打開了一條新途徑，相應論文發表於美國物理學會《應用物理快報》（Fang et al, Applied Physics Letters, 105: 134104, 2014）。文章第一作者為來理化所進行暑期實習的清華大學錢學森力學班大三學生房文強。

　　此項工作源於劉靜團隊十餘年來在液態金屬領域的持續探索和積累。此前，團隊曾發現手動操控下的液態金屬經毛細管注入特定溶液中時會自動離散成大量的金屬液滴，由此建立了一種無槽道式快速製備金屬微粒的方法（Yu et al., Advanced Engineering Materials, 16: 255, 2014，封面文章）。與此同時，團隊還首次發現電場控制下液態金屬可在各種形態及運動模式之間發生轉換的多變形現象（Sheng et al., Advanced Materials, 26: 6036, 2014,封面文章），並建立了系列調控液態金屬變形的方法。正是在延續上述工作的過程中，研究小組再次獲得出人意料的發現。他們通過實驗觀察到，在無電壓作用時，盛放於容器腔出口毛細管內的液態金屬前沿會因表面張力和外界靜壓的作用而保持靜態；一旦施加電場時，浸沒於氫氧化鈉溶液中的毛細管內液態金屬會自動噴射而出形成微滴，仿佛噴泉一般，這些液滴在電場作用下朝著陽極方向快速移動，可控性強，到達後形成「大珠小珠落玉盤」的景象，若將持續生成的液滴冷卻收集後即可獲得金屬固體微粒，整個過程僅需極低電壓（2-20V）即可輕易實現；電壓越高，金屬液滴生成率及移動速率越快。

　　通過系統的對比實驗，研究小組探明了液態金屬從噴射到液滴產生與運動的三個關鍵流動相態。在噴射伊始，外界電壓產生的電場力會打破液態金屬界面的力學平衡，並使其沿電場方向發生變形和運動；當液態金屬從毛細管噴射出來進入氫氧化鈉水溶液時，由於自身的低粘、高表面張力與電場力相互作用，液態金屬射流隨即發生Plateau–Rayleigh不穩定現象，由此撕裂離散成粒徑均一的液滴；金屬液滴在電場作用下易於形成電雙層，液滴自身的高導電性會使其界面切向電場力消失，而電雙層內的切向電場力必須通過金屬液滴運動產生的剪切應力來實現力學平衡，由此誘導了液滴運動方向與電場方向保持一致。在上述過程中，外界電場力是促成液態金屬液滴噴射和運動的主要動力來源，而氫氧化鈉溶液則有效及時地消除了界面電化學反應生成的金屬氧化物。值得指出的是，傳統的膠體或金屬顆粒電泳現象需要上千伏電壓驅動，而此次發現的金屬液滴快速運動只需數伏電壓即可，其本質原因正在於液態金屬優良的導電性和流動性使然。此前，電壓誘導的液態金屬噴射現象從未被報導過，這種微滴生成與運動效應無需複雜設備，能耗極低，操控極為簡便快捷，十分有利於應用。

　　近年來，液態金屬液滴在微開關、微泵、焊料、金屬零部件製作乃至3D列印金屬粉末等方面展現出獨特的應用價值。而傳統的金屬液滴製備需藉助複雜的微流控技術實現，成本高、工藝複雜、程序繁瑣且生成效率低。研究小組此次取得的基礎性發現和建立的方法，為擴展液態金屬的應用提供了重要技術手段；這種電控射流效應也引申出十分豐富有趣的物理學圖景，為今後探索室溫液態金屬獨特的流體力學行為指出了新的方向。

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低電壓電場誘導出的液態金屬射流與微滴生成現象(左)及其作用機理(右) 

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