Электрическое поле заставило каплю жидкого галлия пульсировать с постоянной частотой

Z. Yu et al./ Physical Review Letters, 2018
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.
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