Электрическое поле заставило каплю жидкого галлия пульсировать с постоянной частотой

Физики из Австралии и Китая обнаружили, что под действием внешнего электрического поля капля жидкого галлия может совершать периодические пульсации с четко заданной частотой. Этот процесс происходит за счет обратимого электрохимического окисления поверхности металла в поле силы тяжести. Такие пульсации могут быть использованы при разработке искусственных жидкостных насосов в мягких роботах или микрофлюидных системах, пишут ученые в Physical Review Letters.

Известно, что капли жидких металлов можно заставить пульсировать, используя поверхностные электрохимические реакции, которые приводят к изменением их физических свойств. Например, если к капле ртути или галлия, находящейся в растворе окислителя, поднести железный гвоздь, то можно таким образом запустить колебательный электрохимический процесс, в течение которого сначала окисляется ртуть, что приводит к снижению ее поверхностного натяжения и растеканию капли по дну, а затем — окислению железа и обратному восстановлению ртути до металлического состояния, в результате чего капля вновь собирается в шарик. Эти процессы сменяют друг друга до тех пор, пока в растворе не кончится весь окислитель. Тем не менее, несмотря на то, что это явление было обнаружено довольно давно, из-за неупорядоченного характера этих пульсаций найти для них практическое применение не удавалось.

Группа физиков из Австралии и Китая под руководством Чжэньвэя Ю (Zhenwei Yu) из Университета Вуллонгонг нашла способ сделать подобные колебания периодическими и при этом управлять частотой пульсаций. Для этого ученые предложили использовать совместное действие силы тяжести и внешнего электростатического поля. В предложенной схеме эксперимента капля жидкого галлия наносилась на наклонную поверхность внутрь графитового электрода с круговым отверстием посередине. После этого вся система помещалась в раствор щелочи, который выполнял роль электролита.

Под действием силы тяжести капля галлия на наклонной поверхности скатывается в сторону одной из стенок электрода. Включение постоянного тока в этой системе приводит к запуску электрохимического окисления галлия, в результате которого на поверхности капли образуется тонкая пленка из оксида галлия Ga₂O₃, а ее поверхностное натяжение падает с 500 миллиджоулей на квадратный метр практически до нуля. Из-за падения поверхностного натяжения капля меняет сферическую форму на плоскую, при этом из-за неравномерного распределения скорости реакции происходит смещение центра тяжести капли. Из-за полученного при этом импульса и электростатического отталкивания капля перемещается в центр отверстия, контакт с электродом теряется, и оксид галлия восстанавливается обратно до металлического состояния, а капля вновь приобретает сферическую форму. Таким образом система оказывается в начальном состоянии, и цикл таким образом замыкается: капля галлия под действием силы тяжести опять начинается скатываться к электроду.

Авторы отмечают, что для возбуждения пульсаций используется источник постоянного тока, а не переменного, как в некоторых аналогичных работах. Меняя напряжение на электродах можно изменять частоту биения капель объемом от 50 до 150 микролитров в довольно широком диапазоне: от 0 до 610 ударов в минуту. Максимальная скорость движения капель галлия составляет около сантиметра в секунду. Исследователи также отмечают, что обратимая реакция окисления, которая запускает периодические пульсации, происходит в щелочном растворе при температуре немного выше комнатной (около 34 градуса Цельсия). Тем не менее, если сделать раствор электролита кислым, то пульсации все равно можно наблюдать, но они становятся неустойчивыми и теряют периодический характер.

По словам ученых, этот процесс можно использовать при разработке методов жидкостных элементов управления для электронных устройств, при создании композитных материалов, растягиваемых электронных устройств. Кроме того, подобные пульсирующие капли могут работать в качестве насосов в мягких роботах или микрофлюидных устройствах.

Жидкий галлий и сплавы на его основе нередко предлагают применять для создания устройств, форма которых должна меняться с течением времени. Так, из сплава галлия и индия ученые создали электрическую цепь с изменяемой схемой, управление которой тоже происходит за счет изменения напряжения между электродами. Китайские химики сделали на основе жидкого галлия, помещенного внутрь силиконовых микроканалов гибкие и сильно растяжимые электронные устройства. А другая группа исследователей предложила использовать галлий вблизи точки плавления в качестве клея для широкого спектра применений — от робототехники до перемещения биологических образцов.

Александр Дубов