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Adv Mater. 石墨表麵上的液態金屬操控!

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態金屬可在石墨表麵以任意形狀穩定呈現的自由塑型效應,並實現了逆重力方式的攀爬運動,研究以封麵文章形式發表於《先進材料》。此前,金屬液滴因自身表麵張力較大,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《石墨表麵上的液態金屬操控》的論文中,研究組首次發現通過引入石墨基底,可靈活自如地將處於電解液環境中的液態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,液態金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀,然而一旦去除外場,液態金屬即會在其表麵張力作用下迅速回縮成球形,無法維持先前的結構。此次發現的液態金屬自由鋪展與塑型效應,為柔性變形機器人的研製乃至4D打印等提供了新方向。

圖1 期刊封麵故事及液態金屬在石墨表麵的自由鋪展與塑形效應

實驗表明,將一滴液態金屬置於浸沒在氫氧化鈉溶液中的石墨表麵上時,液態金屬會自動攤開形成扁平的煎餅狀,這與位於玻璃基底上以球形方式呈現的液態金屬非常不同(圖1)。引發這類鋪展效應的原因主要來自液態金屬與石墨基底間的電化學相互作用。在堿性溶液中,石墨表麵通常帶正電荷,而液態金屬表麵帶負電荷,當這兩種導體接觸時,電荷會從液態金屬流向石墨,液態金屬表麵被氧化形成氧化膜,這會顯著降低其表麵張力,此時液態金屬表現為類似於泥漿的狀態,由此可被隨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態金屬自由塑形,突破了原有的液態金屬元件調控模式,在不定形柔性電子器件、可變形智能機器的設計乃至先進製造方麵有重要價值。

進一步地,基於石墨表麵的液態金屬自由塑形效應,研究人員探索了電場作用下液態金屬不同於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內在機製。

 

圖2 石墨基底表麵的液態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於自由空間下的電控液態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,液態金屬會因自身重力較大且表麵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態金屬柔性機器的理論與技術內涵。此項研究得到中科院院長基金特別支持項目資助。

 

圖3 電控液態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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