【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】室溫液態(tài)金屬具低熔點(diǎn)、高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性等獨(dú)特物理屬性，在軟體機(jī)器人、3D打印、微閥微泵、生醫(yī)設(shè)備等方面展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。由于液態(tài)金屬表面張力比水高近一個(gè)量級(jí)，采用傳統(tǒng)方法制備微尺度金屬液滴面臨較大挑戰(zhàn)。力學(xué)所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納米流體力學(xué)課題組提出基于液態(tài)金屬界面電毛細(xì)流動(dòng)引起的強(qiáng)烈漩渦流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬微液滴的可控高通量制備，并給出了基于Ohnesorge數(shù)和Reynolds數(shù)Re的無量綱標(biāo)度率。該成果最近以“Electrocapillarity‐Induced Hurricane‐in‐a‐Tube Enables the Generation and Patterning of Liquid Metal Droplets”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials (2024, 2409341)。
 

　　通過電場(chǎng)誘導(dǎo)出高表面張力梯度進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的電毛細(xì)流動(dòng)，液態(tài)金屬微液滴制備中高表面張力的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)變成了優(yōu)勢(shì)。該研究通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，揭示了外加電場(chǎng)誘導(dǎo)液態(tài)金屬界面電毛細(xì)流動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈漩渦流動(dòng)的機(jī)理(圖1)。在制備微管中，該漩渦形成的“管中颶風(fēng)”(Hurricane‐in‐a‐Tube)提供了促進(jìn)液滴生成的強(qiáng)剪切作用，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬液滴的可控、高通量制備。通過力學(xué)建模分析，基于Ohnesorge數(shù)Oh和Reynolds數(shù)Re給出了預(yù)測(cè)生成液滴粒徑的無量綱標(biāo)度率(圖2)，即Oh−2 = kRe+b，其中k、b為擬合系數(shù)。該技術(shù)及制備的液態(tài)金屬微液滴還被應(yīng)用于微液滴打印及小型化柔性傳感設(shè)備。
 

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)任玉坤教授，力學(xué)所鄭旭、蔣璽愷副研究員為論文共同通訊作者；力學(xué)所碩士研究生陶賢贊、陳高峰提供數(shù)值模擬結(jié)果。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2022YFF0503504)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(12072350)、以及中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目(025GJHZ2022023MI)的支持。
 

圖1.基于電毛細(xì)流動(dòng)制備液態(tài)金屬液滴原理 (左圖)及數(shù)值模擬結(jié)果(右圖)
 

圖2.電毛細(xì)流動(dòng)制備液態(tài)金屬液滴的無量綱標(biāo)度率
 

圖3. 本技術(shù)應(yīng)用于微液滴打印(左)及小型化柔性傳感設(shè)備(右)