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理化所发现液态金属固液组合机器自激振荡效应与跳跃等科学现象

发表日期: 2016-08-30
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  ,中国科学院理化技术研究所联合清华大学研究组,首次报道了由液态金属驱动的金属丝振荡效应、金属颗粒触发型液态金属跳跃现象等,并研发出镀有磁性功能层的自驱动液态金属机器乃至以液态金属为车轮的微型车辆,其中2项研究以封面文章形式发表。此前,液态金属机器均以纯液态方式出现,固液组合机器效应的发现和技术突破,使得液态金属机器自此有了功能性内外骨骼,将提速柔性机器的研制进程。 

  在发表于《Advanced Science》上的题为Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator10.1002/advs.2016002122016;封面文章)的论文中,研究小组报道了一种异常独特的液态金属固液组合机器的自激振荡效应:将处理过的铜丝触及含铝的液态金属时,铜丝会被液态金属迅速吞入,并随后在液态金属机体上做长时间往复穿梭运动,如同演奏音乐中的小提琴琴弦一般(图1)。此外,用不锈钢丝触碰液态金属,还可对铜丝的振荡行为加以调频调幅操控。造成上述现象的机制主要在于,铝与碱溶液反应引发液态金属与铜丝两端出现浸润力差异所致,这里,铜丝、液态金属、电解液及氢气之间多相界面的动态耦合产生了节律性牵引力。这一突破性发现革新了传统的界面科学认识,也为柔性智能机器的研制打开了新思路,还可发展出流体、电学、机械、光学等系统的控制开关。 

  在发表于《Applied Physics Letters》上的题为Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles108, 223901, 2016)的论文中,作者们发现了一类有趣的液态金属跳跃行为(图2):向放有金属液滴的溶液体系中加入固体金属颗粒(镍、铁等)后,原本静止的金属液滴开始跳动起来,并在容器底留下一串饼状脚印。研究揭示,金属颗粒与液态金属表面发生点接触时,交界面处电场强度显著增强,以至会在溶液内电解产氢,氢气泡在基底不断吸附长大形成气体弹簧,这就为液滴跳跃提供了推力。导致电场极化的因素之一是来自液态金属与固体金属颗粒之间的电势差即原电池效应(图3);另一原因则在于,固-液材料界面间微观形貌差异会导致电荷累积,继而引发尖端放电效应。 

  在《Journal of Materials Chemistry B》上的论文“Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery”4, 5349, 2016, 封面文章)中,研究小组通过电镀方法在液态金属表面镶嵌铁磁性镍层,由此实现了机器在外部磁场或电场作用下的灵活控制(图4),并验证了其在药物递送方面的潜在价值。超越于无规则运动型液态金属机器的是,该磁性固液组合机器可实现运动起停、转向和加速等复杂行为。 

  进一步地,研究小组还发展出一种以柔性可变形车轮驱动的微型车辆,其由金属液滴及经3D打印的塑料本体组合而成。在电场作用下,液态金属车轮可发生旋转变形,继而驱动车辆行进、加速乃至实现更多复杂运动(图5)。采用类似于四驱车的结构,研究小组证实其可在携带重物0.4 g的情况下以25 mm/s速度运动。这种固液组装型柔性机器的设计概念可衍生出更多复杂的可控机器结构。相应研究发表于《RSC Advances》(Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016)上。 

  十多年来,由刘静研究员带领的团队围绕液态金属开展了大量原创性探索,在芯片冷却、先进制造、电子技术、生物医疗及柔性机器等领域取得全面突破。团队迄今已发现30类以上具有重要科学意义的液态金属基础现象或效应,研发出数十种实用技术,在包括北京、云南、广东等地在内的全国范围内推动产业化,先后促成了领先性液态金属产品生产线、研发中心及科技馆的建设落成,多种产品进入市场,提出的创建液态金属谷乃至发展液态金属全新工业体系的构想也正从理想变成现实,成果在海内外学术界和工业界产生重大影响。 

  上述研究部分得到中国科学院院长基金资助。液态金属物质科学与技术是国科大新近成立的未来技术学院重点布局的前沿学科方向之一。 

  论文及视频链接:

  1. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201600212/full#references 

  2. http://dx.doi.org/10.1063/1.4953157 

  3. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/tb/c6tb00996d 

  4. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ra/c6ra10629c/unauth 

图1 期刊封面故事及液态金属机器驱动的铜丝浸润与自激振荡现象

图2 液态金属液滴被镍粉颗粒触发后在NaOH溶液中产生的跳跃行为

图3 金属液滴与固体金属颗粒发生点接触后界面电场出现极化的原理和现象

图4 期刊封面故事及镀有镍壳的固液组合式磁性液态金属机器的可控与自主运动

图5 柔性可变形液态金属车轮驱动的单轮车及四驱车在电场控制下的运动行为

 

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