近日，由劉靜研究員及何志祝博士帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究小組，首次發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的極低電壓誘發(fā)的液態(tài)金屬射流現(xiàn)象，為金屬微滴乃至固體顆粒的快速制備和精確操控打開了一條新途徑，相應(yīng)論文發(fā)表于美國(guó)物理學(xué)會(huì)《應(yīng)用物理快報(bào)》（Fang et al, Applied Physics Letters, 105: 134104, 2014）。文章第一作者為來理化所進(jìn)行暑期實(shí)習(xí)的清華大學(xué)錢學(xué)森力學(xué)班大三學(xué)生房文強(qiáng)。

　　此項(xiàng)工作源于劉靜團(tuán)隊(duì)十余年來在液態(tài)金屬領(lǐng)域的持續(xù)探索和積累。此前，團(tuán)隊(duì)曾發(fā)現(xiàn)手動(dòng)操控下的液態(tài)金屬經(jīng)毛細(xì)管注入特定溶液中時(shí)會(huì)自動(dòng)離散成大量的金屬液滴，由此建立了一種無(wú)槽道式快速制備金屬微粒的方法（Yu et al., Advanced Engineering Materials, 16: 255, 2014，封面文章）。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還首次發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)控制下液態(tài)金屬可在各種形態(tài)及運(yùn)動(dòng)模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的多變形現(xiàn)象（Sheng et al., Advanced Materials, 26: 6036, 2014,封面文章），并建立了系列調(diào)控液態(tài)金屬變形的方法。正是在延續(xù)上述工作的過程中，研究小組再次獲得出人意料的發(fā)現(xiàn)。他們通過實(shí)驗(yàn)觀察到，在無(wú)電壓作用時(shí)，盛放于容器腔出口毛細(xì)管內(nèi)的液態(tài)金屬前沿會(huì)因表面張力和外界靜壓的作用而保持靜態(tài)；一旦施加電場(chǎng)時(shí)，浸沒于氫氧化鈉溶液中的毛細(xì)管內(nèi)液態(tài)金屬會(huì)自動(dòng)噴射而出形成微滴，仿佛噴泉一般，這些液滴在電場(chǎng)作用下朝著陽(yáng)極方向快速移動(dòng)，可控性強(qiáng)，到達(dá)后形成“大珠小珠落玉盤”的景象，若將持續(xù)生成的液滴冷卻收集后即可獲得金屬固體微粒，整個(gè)過程僅需極低電壓（2-20V）即可輕易實(shí)現(xiàn)；電壓越高，金屬液滴生成率及移動(dòng)速率越快。

　　通過系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究小組探明了液態(tài)金屬?gòu)膰娚涞揭旱萎a(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)的三個(gè)關(guān)鍵流動(dòng)相態(tài)。在噴射伊始，外界電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力會(huì)打破液態(tài)金屬界面的力學(xué)平衡，并使其沿電場(chǎng)方向發(fā)生變形和運(yùn)動(dòng)；當(dāng)液態(tài)金屬?gòu)拿��?xì)管噴射出來進(jìn)入氫氧化鈉水溶液時(shí)，由于自身的低粘、高表面張力與電場(chǎng)力相互作用，液態(tài)金屬射流隨即發(fā)生Plateau–Rayleigh不穩(wěn)定現(xiàn)象，由此撕裂離散成粒徑均一的液滴；金屬液滴在電場(chǎng)作用下易于形成電雙層，液滴自身的高導(dǎo)電性會(huì)使其界面切向電場(chǎng)力消失，而電雙層內(nèi)的切向電場(chǎng)力必須通過金屬液滴運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)力學(xué)平衡，由此誘導(dǎo)了液滴運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向保持一致。在上述過程中，外界電場(chǎng)力是促成液態(tài)金屬液滴噴射和運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿�來源，而氫氧化鈉溶液則有效及時(shí)地消除了界面電化學(xué)反應(yīng)生成的金屬氧化物。值得指出的是，傳統(tǒng)的膠體或金屬顆粒電泳現(xiàn)象需要上千伏電壓驅(qū)動(dòng)，而此次發(fā)現(xiàn)的金屬液滴快速運(yùn)動(dòng)只需數(shù)伏電壓即可，其本質(zhì)原因正在于液態(tài)金屬優(yōu)良的導(dǎo)電性和流動(dòng)性使然。此前，電壓誘導(dǎo)的液態(tài)金屬噴射現(xiàn)象從未被報(bào)道過，這種微滴生成與運(yùn)動(dòng)效應(yīng)無(wú)需復(fù)雜設(shè)備，能耗極低，操控極為簡(jiǎn)便快捷，十分有利于應(yīng)用。

　　近年來，液態(tài)金屬液滴在微開關(guān)、微泵、焊料、金屬零部件制作乃至3D打印金屬粉末等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。而傳統(tǒng)的金屬液滴制備需借助復(fù)雜的微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)，成本高、工藝復(fù)雜、程序繁瑣且生成效率低。研究小組此次取得的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)和建立的方法，為擴(kuò)展液態(tài)金屬的應(yīng)用提供了重要技術(shù)手段；這種電控射流效應(yīng)也引申出十分豐富有趣的物理學(xué)圖景，為今后探索室溫液態(tài)金屬獨(dú)特的流體力學(xué)行為指出了新的方向。

　　文章鏈接： 1  2  3 

　　視頻鏈接： 1  2  3 

低電壓電場(chǎng)誘導(dǎo)出的液態(tài)金屬射流與微滴生成現(xiàn)象(左)及其作用機(jī)理(右)