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理化所发现系列液态金属自组织斑图形成现象与演化机制

稿件来源:液态金属与低温生物医学研究中心 发布时间:2023-11-17

  DNA到太阳系的轨道排列,自组织图案无处不在,长期以来被物理学、生物学、地质学和化学等领域广泛研究。非平衡系统会自发形成多种时空有序分布的斑图,以往报道过的大多数化学体系的自组织斑图都是在溶液环境中形成的。近期,中国科学院理化技术研究所刘静及王倩团队在研究镓基液态金属与固体金属膜表面的相互作用与反应问题时,首次揭示出一系列液态金属自组织斑图形成现象与演化机制,所构建的液态金属-固体金属非平衡扩散体系,开拓了自组织微观图案产生的新途径。对这些金属表面斑图的基础认识有望在未来的材料、光学、电子、半导体、能源及催化等领域促成新的应用。 

  发现液态金属在固体金属表面的扩散失稳可产生图灵斑图。艾伦·图灵在1952年提出,在非平衡条件下,两种成形素的反应扩散过程可以诱发斑点、条带、迷宫等一系列自组织斑图的形成。构建图灵系统存在一些基本要求:系统必须远离热力学平衡态,并包含自催化或自阻滞过程,且阻滞子的扩散速率应远远快于激活子,从而满足短程激活和长程抑制的要求。最简单的构造方法是选择两种扩散系数区别足够大的物质,但这在传统的化学溶液体系中很难实现,因为大多数化学物质的扩散系数都在同一个数量级(~10-5 cm2s-1)。镓基液态金属可以和一系列固体金属发生溶解、合金化、反应、扩散等相互作用,且不同金属之间的扩散机制以及扩散激活能不同,扩散系数也存在着本征区别。团队提出了在液态金属-固体金属(GaX-Y)非平衡反应-扩散体系中获得迷宫、条带、斑点等稳态图灵图案的普适性机制,并以GaIn-Ag体系为例进行了概念验证和理论探究,揭示了活化子In和阻滞子Ga的协同作用机制,阐明了反应物浓度和外界温度对斑图演化的调控机理。该工作近日以Turing Instability of Liquid-Solid Metal Systems为题,在线发表于国际知名期刊Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202309999),理化所博士生邢泽溶为论文第一作者。 

  在稍早一些时候,团队还发现液态金属在金膜表面出现的Liesegang现象Liesegang斑图是指时空有序的周期性环带结构,环带的时空分布通常满足时间定律、宽度定律和间距定律,图案形成的特征时间尺度通常是数天,空间尺度平均为数厘米。团队发现液态金属在金膜表面可以自组织形成时空有序分布的微米级Liesegang图案,并对其微观作用机制和调控机理进行了系统的试验揭示和理论探究。在反应扩散、润湿铺展、氧化膜限制的协同作用下,反应产物通过在界面处的竞争形核行为,实现了斑图的自组织。这项工作开启了液态金属与固体金属自组织反应扩散系统的探索,同时对于考察液态金属在印刷电子、柔性机器等领域中应用时所面临的可靠性问题指出了一条崭新的研究策略。相应工作以Liesegang phenomenon of liquid metals on Au film为题,发表于国际知名期刊Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202209392)并被选作内封面故事,理化所博士生邢泽溶为论文第一作者。 

  上述研究工作得到了国家自然科学基金委、北京市科委的大力支持。 

液态金属-固体金属体系中出现的Liesegang环及Turing失稳现象 

[video:液态金属-固体金属体系的斑图自组织过程]

液态金属-固体金属体系的斑图自组织过程 

    

  原文链接: 

  https://doi.org/10.1002/adma.202309999 

  https://doi.org/10.1002/adma.202209392 

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