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中科院理化所劉靜教授團隊 Small：冰上之舞的自旋液態(tài)金屬液滴
2023-04-13  來源：高分子科技

  借助一層薄薄的氣、液膜漂浮于承托基底上的液滴具有極高的自由度，只要外界條件發(fā)生稍許改變，液滴的運動行為即會出現(xiàn)千變?nèi)f化。這種與固體/液體表面不接觸、不潤濕的液滴，不僅具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究價值，同時也會影響工程實踐中的液滴操控。


  從不同于傳統(tǒng)的流體（水或油）出發(fā)，來自中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（理化所）的劉靜教授團隊圍繞鎵基室溫液態(tài)金屬這一具有極高表面張力的特殊流體（表面張力約是水的十倍），近年來在高自由度漂浮液滴研究中發(fā)現(xiàn)和闡釋了一系列奇特的表界面現(xiàn)象，如：電化學(xué)產(chǎn)氫氣墊彈簧觸發(fā)的液滴跳躍（Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 223901），電場觸發(fā)的液滴沖浪（Appl. Phys. Lett. 2017, 111, 101603），旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的液滴不融合（Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 083702），豎直振動液池上的液滴對行星繞轉(zhuǎn)現(xiàn)象（Phys. Rev. Fluids 2020, 5, 053603），以及液滴群自組裝行為（Phys. Rev. Fluids 2018, 3, 124804）等。


  近日，劉靜教授團隊在一項最新研究中首次報道了基于雙流體固液相變及液膜潤滑下的液態(tài)金屬液滴在冰面上的自旋現(xiàn)象，如同冰上之舞一般。該工作以“Spinning Liquid Metal Droplets on Ice”為題發(fā)表在《Small》上（Small, 2023, 2300158），文章第一作者為理化所博士后趙曦。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將一個室溫液態(tài)金屬鎵液滴置于冰塊上后，隨著鎵液滴的凝固附近的冰迅速融化，與此同時金屬液滴發(fā)生快速的自旋現(xiàn)象，并逐漸在冰洞內(nèi)下沉（圖1）。液滴的運動模式具有多樣化的特點，可以發(fā)生單向逆時針自旋，單向順時針自旋，中途變向，以及豎直下沉等模式。液滴自旋的驅(qū)動機理在于液態(tài)金屬液滴遇到冰后觸發(fā)瞬間凝固放熱，使冰迅速融化由此建立起了一層潤滑水膜（雙流體固液相變），同時從冰塊內(nèi)釋放出的氣泡會在液滴周向施加不平衡力，繼而推動了液滴自旋運動。其中，潤滑水膜和逸出氣泡為兩個關(guān)鍵因素，需同時滿足才能觸發(fā)液滴自旋（圖2）。液滴自旋和凝固過程同時同步進行，自旋運動特性受凝固過程傳熱，尤其是過冷度影響。此外，研究者還闡明了這種冰上的自旋行為對于不同的物體具有普適性，只需滿足一定的熱力學(xué)和動力學(xué)條件即可發(fā)生（圖3）。 


圖1. (a) 實驗操作過程示意；(b, c) 一個逆時針自旋液態(tài)金屬鎵液滴的俯視圖和側(cè)視圖；(d) 自旋液滴邊緣點的軌跡；(e) 液滴在豎直方向上的位置隨時間的變化；(f) 液滴自旋角速度隨時間的變化。 


圖2. 探究液滴自旋驅(qū)動機理的對比實驗. (a) 在無氣泡的純冰上液滴豎直下沉；(b) 有氣泡冰上液滴自旋，而無氣泡冰上液滴豎直下沉；(c) 一個順時針旋轉(zhuǎn)的液滴受一簇逸出的氣泡影響轉(zhuǎn)為逆時針旋轉(zhuǎn)；(d) 不銹鋼冰塊上鎵液滴的凝固過程；(e) 冰塊上鎵液滴凝固過程的水膜變化；(f) 冰上液滴自旋的驅(qū)動機理示意。 


圖3. (a) 不同液態(tài)金屬液滴凝固前后的形態(tài)；(b) 80°C不銹鋼球和玻璃球在冰上的運動比較；(c, d) 兩種固體球的軌跡和角速度；(e-h) 不同液態(tài)金屬液滴和固體球的運動特征參數(shù)的統(tǒng)計比較：(e) 自旋周期；(f) 開始自旋前的遲疑時間；(g) 整個自旋過程耗時和完成第一圈耗時；(h) 實驗?zāi)繕?biāo)的半徑和質(zhì)量。


  此項工作發(fā)現(xiàn)的冰上液態(tài)金屬液滴自旋效應(yīng)，從相變過程產(chǎn)生的薄膜潤滑特點來看，與經(jīng)典的Leidenfrost效應(yīng)具有異曲同工之妙，但是該體系直接利用了液態(tài)金屬凝固過程中的相變潛熱作為熱源，無需加熱措施便可自發(fā)旋轉(zhuǎn)。未來通過類似的機制還可以挖掘更多在薄膜潤滑下的液態(tài)金屬液滴所能展現(xiàn)出的奇特現(xiàn)象和行為，例如將冰塊替換為石蠟、液氮、干冰等介質(zhì)。此外，在液態(tài)金屬用于相變控溫、柔性電子、3D打印、以及腫瘤栓塞等領(lǐng)域時，均有可能會遇到與非等溫介質(zhì)接觸從而發(fā)生相變的情況，該研究有助于在這些應(yīng)用場景內(nèi)預(yù)先選擇性地抑制或促進相變液膜潤滑和物體運動。
以上研究得到中科院前沿科學(xué)項目以及國家自然科學(xué)基金重點項目資助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300158

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（責(zé)任編輯：xu）
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