《電子技術(shù)應(yīng)用》
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中國(guó)液態(tài)金屬研究再獲突破 柔性機(jī)器人有新方向

2016-11-14

  近日,中科院理化所低溫生物與醫(yī)學(xué)研究組首次報(bào)道了液態(tài)金屬可在石墨表面以任意形狀穩(wěn)定呈現(xiàn)的自由塑型效應(yīng),并實(shí)現(xiàn)了逆重力方式的攀爬運(yùn)動(dòng),研究以封面文章形式發(fā)表于《先進(jìn)材料》。此前,金屬液滴因自身表面張力較大,在電解液中通常以球形方式存在,塑形能力及變形模式相對(duì)有限。

  在這篇題為“石墨表面上的液態(tài)金屬操控的論文中,研究組首次發(fā)現(xiàn)通過引入石墨基底,可靈活自如地將處于電解液環(huán)境中的液態(tài)金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環(huán)形以及更多任意形狀。迄今,液態(tài)金屬雖可通過外加電場(chǎng)短暫改變形狀,然而一旦去除外場(chǎng),液態(tài)金屬即會(huì)在其表面張力作用下迅速回縮成球形,無法維持先前的結(jié)構(gòu)。此次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬自由鋪展與塑型效應(yīng),為柔性變形機(jī)器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。

  實(shí)驗(yàn)表明,將一滴液態(tài)金屬置于浸沒在氫氧化鈉溶液中的石墨表面上時(shí),液態(tài)金屬會(huì)自動(dòng)攤開形成扁平的煎餅狀,這與位于玻璃基底上以球形方式呈現(xiàn)的液態(tài)金屬非常不同。引發(fā)這類鋪展效應(yīng)的原因主要來自液態(tài)金屬與石墨基底間的電化學(xué)相互作用。在堿性溶液中,石墨表面通常帶正電荷,而液態(tài)金屬表面帶負(fù)電荷,當(dāng)這兩種導(dǎo)體接觸時(shí),電荷會(huì)從液態(tài)金屬流向石墨,液態(tài)金屬表面于是被氧化形成氧化膜,這會(huì)顯著降低其表面張力,此時(shí)液態(tài)金屬表現(xiàn)為類似于泥漿的狀態(tài),由此可被隨意塑造成各式各樣的形狀。該項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了在開放液體環(huán)境中的液態(tài)金屬自由塑形,突破了原有的液態(tài)金屬元件調(diào)控模式,在不定形柔性電子器件、可變形智能機(jī)器的設(shè)計(jì)乃至先進(jìn)制造方面有重要價(jià)值。

  進(jìn)一步地,基于石墨表面的液態(tài)金屬自由塑形效應(yīng),研究人員探索了電場(chǎng)作用下液態(tài)金屬不同于傳統(tǒng)基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學(xué)圖景,初步揭示了其獨(dú)特的變形及匍匐運(yùn)動(dòng)行為的內(nèi)在機(jī)制。有趣的是,作者們還首次揭示出處于自由空間下的電控液態(tài)金屬的蠕動(dòng)爬坡能力,實(shí)現(xiàn)了逆重力方式的運(yùn)動(dòng);而采用常規(guī)材料,液態(tài)金屬會(huì)因自身重力較大且表面光滑難以攀爬的緣故,不易通過外電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)逆重力牽引。新發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了近年來興起的液態(tài)金屬柔性機(jī)器的理論與技術(shù)內(nèi)涵。


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