理化所发现电场诱导的液态金属射流基础现象及其用途

　　近日，由刘静研究员及何志祝博士带领的中国科学院理化技术研究所研究小组，首次发现了一种独特的极低电压诱发的液态金属射流现象，为金属微滴乃至固体颗粒的快速制备和精确操控打开了一条新途径，相应论文发表于美国物理学会《应用物理快报》（Fang et al, Applied Physics Letters, 105: 134104, 2014）。文章第一作者为来理化所进行暑期实习的清华大学钱学森力学班大三学生房文强。

　　此项工作源于刘静团队十余年来在液态金属领域的持续探索和积累。此前，团队曾发现手动操控下的液态金属经毛细管注入特定溶液中时会自动离散成大量的金属液滴，由此建立了一种无槽道式快速制备金属微粒的方法（Yu et al., Advanced Engineering Materials, 16: 255, 2014，封面文章）。与此同时，团队还首次发现电场控制下液态金属可在各种形态及运动模式之间发生转换的多变形现象（Sheng et al., Advanced Materials, 26: 6036, 2014,封面文章），并建立了系列调控液态金属变形的方法。正是在延续上述工作的过程中，研究小组再次获得出人意料的发现。他们通过实验观察到，在无电压作用时，盛放于容器腔出口毛细管内的液态金属前沿会因表面张力和外界静压的作用而保持静态；一旦施加电场时，浸没于氢氧化钠溶液中的毛细管内液态金属会自动喷射而出形成微滴，仿佛喷泉一般，这些液滴在电场作用下朝着阳极方向快速移动，可控性强，到达后形成“大珠小珠落玉盘”的景象，若将持续生成的液滴冷却收集后即可获得金属固体微粒，整个过程仅需极低电压（2-20V）即可轻易实现；电压越高，金属液滴生成率及移动速率越快。

　　通过系统的对比实验，研究小组探明了液态金属从喷射到液滴产生与运动的三个关键流动相态。在喷射伊始，外界电压产生的电场力会打破液态金属界面的力学平衡，并使其沿电场方向发生变形和运动；当液态金属从毛细管喷射出来进入氢氧化钠水溶液时，由于自身的低粘、高表面张力与电场力相互作用，液态金属射流随即发生Plateau–Rayleigh不稳定现象，由此撕裂离散成粒径均一的液滴；金属液滴在电场作用下易于形成电双层，液滴自身的高导电性会使其界面切向电场力消失，而电双层内的切向电场力必须通过金属液滴运动产生的剪切应力来实现力学平衡，由此诱导了液滴运动方向与电场方向保持一致。在上述过程中，外界电场力是促成液态金属液滴喷射和运动的主要动力来源，而氢氧化钠溶液则有效及时地消除了界面电化学反应生成的金属氧化物。值得指出的是，传统的胶体或金属颗粒电泳现象需要上千伏电压驱动，而此次发现的金属液滴快速运动只需数伏电压即可，其本质原因正在于液态金属优良的导电性和流动性使然。此前，电压诱导的液态金属喷射现象从未被报道过，这种微滴生成与运动效应无需复杂设备，能耗极低，操控极为简便快捷，十分有利于应用。

　　近年来，液态金属液滴在微开关、微泵、焊料、金属零部件制作乃至3D打印金属粉末等方面展现出独特的应用价值。而传统的金属液滴制备需借助复杂的微流控技术实现，成本高、工艺复杂、程序繁琐且生成效率低。研究小组此次取得的基础性发现和建立的方法，为扩展液态金属的应用提供了重要技术手段；这种电控射流效应也引申出十分丰富有趣的物理学图景，为今后探索室温液态金属独特的流体力学行为指出了新的方向。

低电压电场诱导出的液态金属射流与微滴生成现象(左)及其作用机理(右)