液態(tài)金屬的可控流動與操縱綜述

液體的可控流動與操縱具有十分重要的科研價值和潛在應(yīng)用，并且一直是一個難題。鎵基室溫液態(tài)金屬（Gallium、EGaIn和Galinstan等）作為一種特殊的流體具有出色的流動性、高電/熱導(dǎo)、可控表面以及可合金化等諸多性能。這種多合一的性質(zhì)為液態(tài)金屬提供了多種操縱方式。

鑒于該領(lǐng)域目前的研究熱度以及快速發(fā)展，澳大利亞伍倫貢大學(xué)（University of Wollongong）創(chuàng)新校區(qū)超導(dǎo)與電子材料研究所所長王曉臨教授團隊在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表了題為“Controllable Flow and Manipulation of Liquid Metals”的綜述文章，賀亞華博士為第一作者，博士生尤靜以及美國北卡羅萊納州立大學(xué)（North Carolina State University）Michael Dickey教授為共同作者。該綜述回顧總結(jié)了鎵基液態(tài)金屬通過機械力（微流控、噴嘴打印）、電場（可控表面張力的流體動力學(xué)）、磁場、電磁場、聲場、光場以及其他方式實現(xiàn)的可控流動與操縱。從根本機理、控制方式以及潛在的應(yīng)用進行了總結(jié)與展望，并提出了目前研究中存在的問題，對之后這一方向的研究具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 液態(tài)金屬的多功能性為其提供了多種操縱方式

基于微流控的液態(tài)金屬可控流動

由于液態(tài)金屬出色的流動性，其可以被注入到微流控通道內(nèi)。由于其表面自發(fā)形成的氧化物限制層（含氧環(huán)境）能讓液態(tài)金屬在通道內(nèi)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這使得液態(tài)金屬非常適合被注入到彈性通道（如PDMS等有機物）中構(gòu)建可高度變形和重構(gòu)的電子器件。在限制表面氧化物形成時（例如在可溶解氧化物的NaOH溶液中），可實現(xiàn)可控大小的液態(tài)金屬液滴（droplets），并實現(xiàn)液滴的可控運動。

圖2 液態(tài)金屬在微流控通道內(nèi)的可控流動

可控的流體點膠與打印

液態(tài)金屬也可以從噴嘴以不同的形態(tài)擠出來實現(xiàn)可控的流體點膠和打印，具體可分為自支撐結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)支撐倆種不同的方式。液態(tài)金屬的自支撐結(jié)構(gòu)主要依靠其表面氧化物使其形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可通過逐滴噴出、霧化以及短線的方式來實現(xiàn)如3D打印和模版印刷等。外部支撐結(jié)構(gòu)包括近距離襯底、水浴支撐以及修飾改性（例如液態(tài)金屬墨水）來實現(xiàn)更復(fù)雜、更大空間跨度的立體結(jié)構(gòu)。

圖3 基于噴嘴的可控的流體點膠和打?。鹤灾谓Y(jié)構(gòu)和外部支撐結(jié)構(gòu)

表面張力的調(diào)控

對于流體，表面張力是一個重要的參數(shù)，其會使液體趨向于最小化表面積。和其他流體比較起來，液態(tài)金屬具有極高的表面張力（> 400 mN/ m），因此液態(tài)金屬會趨向于形成液滴，其運動也會受到限制。當(dāng)將液態(tài)金屬置于電解質(zhì)中時，其表面張力可通過有效的方式進行調(diào)控，從而實現(xiàn)可控流動與操縱，具體可分為倆類。第一類是通過重新分布液態(tài)金屬的表面電荷來制造表面張力梯度（例如將液態(tài)金屬置于電場之間），電荷密度越高的地方表面張力越小，稱之為電毛細管現(xiàn)象/電潤濕 （electrocapillarity/electrowetting）。在電場下不均勻的電荷分布，會使液態(tài)金屬向表面張力小的方向定向運動，這種可控運動可用于構(gòu)建液態(tài)金屬泵和輪形機器人。

圖4 電場作用下的表面電荷不均勻分布所導(dǎo)致的液態(tài)金屬的可控運動

但是第一類方法降低表面張力十分有限，為了達到極低的表面張力，第二類方法將液態(tài)金屬連接正極，通過控制表面氧化的形成來調(diào)控表面張力（過厚的氧化物會限制液態(tài)金屬的流動性），稱之為電化學(xué)控制的氧化（electrochemical controlled oxidation）。第二類方法可以將表面張力減小到10??mN/m，從而實現(xiàn)液態(tài)金屬的可控形變與運動控制，例如管道內(nèi)定向變形移動、多孔介質(zhì)的穿透效應(yīng)以及高/低表面張力狀態(tài)切換控制的“液態(tài)金屬心跳效應(yīng)”等。

圖5 通過將液態(tài)金屬連接正極來控制其表面氧化物的生成，從而更大范圍調(diào)控表面張力來實現(xiàn)可控形變及運動

磁場控制

液態(tài)金屬自身對磁場是沒有響應(yīng)的，但是由于其合金化的能力，一些磁性顆粒可以被添加到液態(tài)金屬里面，從而可以通過磁場來控制液態(tài)金屬的運動。根據(jù)添加磁性顆粒后液態(tài)金屬的形貌差異，可將磁場控制分為倆類：第一類是簡單的液滴運動控制，液態(tài)金屬保持液滴的形態(tài)（高表面張力），通常是在液態(tài)金屬液滴表面覆蓋一層磁性顆粒如鐵。液滴可在平面內(nèi)被控制做一些簡單的定向移動。第二種是將磁性顆粒均勻分布在液態(tài)金屬內(nèi)部，從而構(gòu)建一種泥漿狀的液態(tài)金屬混合物，從而使更為復(fù)雜的運動控制，包括磁性驅(qū)動、自修復(fù)、變形、打印以及可逆的書寫等。

圖6 通過對液態(tài)金屬添加磁性顆粒從而實現(xiàn)多種磁性控制

電磁場控制

由于液體金屬優(yōu)秀的導(dǎo)電性，將通電的液態(tài)金屬置于磁場中，便可以使電磁交互感應(yīng)作用于液態(tài)金屬上，從而實現(xiàn)液態(tài)金屬運動的電磁場控制。目前的操縱方式大致可分為三類：變化磁場產(chǎn)生電流、直接對磁場中液態(tài)金屬注入高電流以及磁場中液態(tài)金屬的電化學(xué)電流。

圖7 電磁場作用下液態(tài)金屬的可控運動

聲場和光場控制

由于液態(tài)金屬流體的特性，其很容易通過吸收聲波的能量來實現(xiàn)聲場對液態(tài)金屬的控制。目前聲場主要分為高頻（高達MHz）和低頻（ ~ 40 Hz）控制。高頻的高能聲波可以將液態(tài)金屬震蕩形成尺寸可控的納米級液滴并促成一些反應(yīng)，同時可實現(xiàn)對液態(tài)金屬的可控運動。而低頻聲波則可實現(xiàn)特別的流體現(xiàn)象，例如不同的表面圖案、流體震動以及軌道運行等。而光場控制則主要是基于液態(tài)金屬的高熱導(dǎo)以及較低的熱容，在激光的照射下，液態(tài)金屬會呈現(xiàn)出明顯的升溫現(xiàn)象。不均勻的溫度分布會是液態(tài)金屬在溶液中受到可控力的作用，從而實現(xiàn)定向運動和可控形變。同時，一些光敏材料也可用于液態(tài)金屬的光場控制。

圖8 聲場和光場作用下的液態(tài)金屬的可控運動，形變以及獨特的表面圖案

其他控制方式

除了以上系統(tǒng)研究過的控制方式，其他方式如液態(tài)金屬表面和襯底界面調(diào)控、微尺度控制、介電泳以及電遷移等也得到探索。

挑戰(zhàn)與機遇

綜上所述，目前關(guān)于液態(tài)金屬的可控流動與操縱的研究取得很大的進展，但是如何實現(xiàn)高效且簡便的控制方式，如何提高打印過程的可操作性和結(jié)構(gòu)分辨率以及如何實現(xiàn)高精度的控制還有很大的探索空間。同時，對于溶液環(huán)境中的液態(tài)金屬，其界面狀態(tài)（包括表面氧化物的動態(tài)形成與溶解）一直沒有得到有效的解釋。這些目前階段存在的問題都還需要進一步的研究。

審核編輯：劉清