液態金屬室溫「類超流體」穿越現象

2020-11-22 科學網

穿越具有納米/微米孔洞結構的固體是超流體（如液氦）的三個重要的宏觀現象之一。零粘度賦予了液氦超流體在流動中不受任何阻力的能力，從而導致其驚人的穿透現象和其他超流體的現象。然而，液氦超流體穿透效應僅在幾乎為0 K的極低溫度下才能出現，也就是所謂的量子態或量子流體中。而對於傳統的液滴（如水和油），在室溫條件下，雖然由於毛細作用，液滴可擴散或滲透到具有孔隙結構的材料裡，但它們的表面張力使它們不能夠穿透多孔材料。

最近，澳大利亞伍倫貢大學超導與電子材料所，澳大利亞基金會國家未來低能電子技術優秀中心，王曉臨教授的團隊首次發現了電壓誘導的液態金屬室溫「類超流體」穿越現象。相關成果以「Voltage Induced Penetration Effect in Liquid Metals at Room Temperature」為題發表於《國家科學評論》(National Science Review, NSR)

近些年來液態金屬以其低溫液態、高表面張力、導電導熱等特性吸引了科學家們的注意，為研製柔性電子器件、軟體機器人等提供了新的思路。

作為液態金屬的重要成員，鎵銦錫合金液滴本身具有極大的表面張力，在空氣或NaOH溶液中呈現球體的形態。而若對浸潤在NaOH溶液中的液滴施加正電壓時，液滴在電化學反應的作用下會迅速形成一層表面氧化物，使得表面張力降低到幾乎零。因次，液滴會出現鋪展現象。

研究者們在實驗過程中觀測到液態金屬液滴在未通電情況下不能穿透多孔材料，這是由於液態金屬的高表面張力平衡了液滴的重力，使得液滴穩定在多孔材料上不能穿透。然而當對液滴施加正電壓後，液態金屬表面張力會急劇減小到接近零，因此重力在此時佔據了主導效應。由於液滴金屬氧化膜處在動態平衡狀態下，氧化膜厚度保持在2-3nm，液態金屬也從而可以保持極好的流動性。最終液態金屬液滴可以穿過多孔材料，從而實現了室溫條件下類似超流體的液體穿透效應。

研究者還發現，在室溫下液態金屬可以穿透不同厚度的不同種類的不同多孔孔徑的材料，比如，海面體，金屬或塑料網，甚至餐巾紙等。

這是該團隊繼發現其他液態金屬奇異現象如非接觸瞬間形成圖案化，過冷態液態金屬同時形變和固化，和心臟跳躍等現象的又一重要發現。

該研究展現了液態金屬在微流體領域具有更多的應用空間。展示了比如對於封閉系統內的電子電路的修復或調整。該發現能進一步促進對於其潛在流體狀態的探索。

該研究由澳大利亞研究理事會（ARC）未來學者計劃和卓越中心的未來低能耗電子技術（fleet）的資助。（來源：科學網）

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz168

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