«Жидкости хотят образовывать капли, потому что это снижает их поверхностную энергию», – говорит Майкл Дики, профессор химической и биомолекулярной инженерии в NC State и соавтор исследования. "И это особенно верно для жидких металлов, потому что они имеют гораздо более высокое поверхностное натяжение, чем другие жидкости."
Поверхностное натяжение измеряется в миллиньютонах на метр. Большинство жидкостей, таких как бензин или вода, имеют значения поверхностного натяжения от 20 до 72 миллиньютон на метр. Сплавы галлия, которые использовались в исследовании штата Северная Каролина, имеют поверхностное натяжение не менее 500 миллиньютон на метр.
«Мы можем снизить поверхностное натяжение с 500 до 0.1, приложив напряжение менее одного вольт ", – говорит Минён Сон, недавно защитившая свою докторскую.D. в штате Северная Каролина и является первым автором статьи. "И это полностью меняет поведение жидкого металла."
Если вы начали выдавливать галлий-индиевый сплав из сопла, он превратится в каплю из-за высокого поверхностного натяжения. Если вы хотите создать поток жидкого металла, вам придется применить достаточно высокую скорость потока, чтобы быстро вытолкнуть его из сопла. Но даже в этом случае результирующий поток будет не очень стабильным.
Однако приложение низкого напряжения к жидкому металлу, когда металл находится под водой, создает тонкий слой оксида на поверхности. Это позволяет исследователям создавать текущие потоки жидкого металла диаметром с человеческий волос и с низкой скоростью потока.
«Этот оксид действует так же, как молекулы мыла для воды, снижая поверхностное натяжение и уменьшая тенденцию жидкости к вздутию», – говорит Карен Дэниелс, профессор физики в NC State и соавтор исследования, «но здесь эффект проявляется. полностью обратимый отключением напряжения. Вы не можете легко вытащить мыло из воды."
Когда низкое напряжение подается на движущийся жидкий металл, оно эффективно создает плавную оксидную пленку, которая проходит по поверхности жидкого металла. Другими словами, оксидный слой не статичен – все это равномерно вытекает из сопла, как проволока.
Этот метод дает исследователям большой контроль над поведением жидкого металла, потому что – до определенного момента – чем выше напряжение, которое они прикладывают к жидкому металлу, тем ниже его поверхностное натяжение. Однако при самых высоких напряжениях оксидный слой образует толстую корку, которая нарушает движение металла. Это приводит к образованию потока жидкости, напоминающего капающий воск.
Исследовательская группа ранее показала, что приложение низкого напряжения к покоящейся капле жидкого металла снижает ее поверхностное натяжение и заставляет ее образовывать фрактальные узоры. Это исследование также проводилось на жидком металле под водой.
Это новое исследование впервые посвящено тому, что происходит, когда жидкий металл находится в движении.
«Мы только начинаем исследовать весь спектр потенциальных применений этой техники», – говорит Дики. "Одна из идей заключалась в том, чтобы эффективно создавать проволоку из жидкого металла при комнатной температуре. Если вы заключите их в эластичную оболочку, у вас будут растягиваемые провода.
Его также можно использовать как новый инструмент для изучения и контроля поведения жидкости. Это захватывающе, потому что более чем 100-летние научные исследования показывают, что потоки жидкости распадаются на капли. Мы нашли простой способ стабилизировать эти потоки."
Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда по грантам CBET-1510772 и DMR-160897.