Электричество превратило капли расплавленного металла в непрерывную нить

Американские ученые подавали электрический ток разного напряжения на поток расплава индия и галлия и научились формировать из него нить вместо отдельных капель. Полученная нить оставалась стабильной вплоть до размеров в 64 сантиметра, при этом толщина нитевидного потока оказалась равной 100 микрометрам. Статья, в которой подробно изучили поведение металлического потока при разных скоростях и приложенных напряжениях, опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Если приоткрыть кран с водой, то из получающейся тонкой струи после некоторого расстояния будут падать отдельные капли — это происходит благодаря поверхностному натяжению, которое стремится уменьшить площадь поверхности (в нашем случае у цилиндрической фигуры площадь поверхности больше, чем у нескольких сферических частиц). Это явление в потоке жидкости (оно называется неустойчивостью Рэлея — Плато) нашло применение в струйных принтерах, промышленном распылении и системах подачи топлива. Однако избавиться от этой нестабильности до сих пор не удалось — для этого нужно либо снизить поверхностное натяжение, либо увеличить вязкость жидкости. Даже в случае потока мелких стеклянных частиц, у которых поверхностное натяжение равно нулю, ученые наблюдали кластеризацию на капли за счет когезии.

У расплавленных металлов почти всегда из сопла вылетают отдельные капли вместо струи — в таких жидкостях слишком маленькая скорость потока, высокая вязкость и поверхностное натяжение (более 500 микроньютон на метр). Но в некоторых случаях можно получить и струю: например, если увеличить скорость потока до одного метра в секунду или стабилизировать поверхность струи оксидом металла (тогда капли будут образовываться не через микросекунду, а через секунду после вылета из сопла). Однако эти способы не позволяют делать устойчивую металлическую струю, которая интересна в процессе получения проводов для гибкой электроники.

Группа физиков и химиков под руководством Майкла Дикки (Michael D. Dickey) нашла способ для простого получения устойчивой металлической струи из сплава галлия и индия, которая не разрывается на большом расстоянии. В ходе эксперимента ученые выдавливали расплавленный металл через стеклянную трубку в раствор гидроксида натрия и прикладывали напряжение между платиновым электродом в растворе и металлом.

Из-за напряжения металл на поверхности окислялся, за счет чего эффективное поверхностное натяжение значительно уменьшается. В зависимости от напряжения и скорости потока из трубки металл получался в разных формах: капли, соединенные капли, нить, древообразная нить, воздушный шарик и сгусток капелек. При этом переход от капель в нитеобразное состояние не зависел от скорости потока, а значит этот процесс можно считать преимущественно электрохимическим.

При напряжении в 0,7 вольта капли связываются между собой тонкими мостиками, однако периодически струя выходит из устойчивого состояния и разрывает мостик на мелкие капли. При увеличении напряжения до 0,8 вольта мостики утолщаются, а капли размываются — таким образом получается цилиндрическая нить расплавленного металла. При выходе из сопла струя немного размывается, но через сантиметр от выхода из трубки сечение потока становится стабильным — его диаметр равен 100 микрометрам. При больших напряжениях (от одного до двух вольт) слой оксида увеличивается и мешает свободному протеканию металла — за счет этого и получаются остальные формы от древовидной нити до сгустка капелек.

Если сравнить устойчивое состояние металлической струи с водой, то при таком же диаметре придется запускать водяной поток со скоростью в 33 сантиметра в секунду, а время жизни цилиндрического потока в масле составит всего 0,07 секунды. Чтобы установить, каким образом оксид на поверхности влияет на стабилизацию нити, исследователи пронаблюдали за несколькими частицами, которые перемещались вместе с потоком на его поверхности. Это опровергло гипотезу об образовании статического поверхностного слоя из оксидов металлов. Средняя скорость частиц составила 8,8 миллиметра в секунду.

Для подтверждения устойчивости и отсутствия жесткости структуры ученые передвигали сопло по емкости — непрерывность нити нарушена не была. При перетекании металла по ступенькам его итоговая скорость оказалась четыре миллиметра в секунду, а максимальное экспериментальное расстояние нити — 64 сантиметра (у исследователей не нашлось прозрачного сосуда с большей глубиной), но по мнению авторов это вовсе не предел.

При натяжении струи между двумя пластинками она изгибалась, а ее середина (самая нижняя точка) истончалась вследствие гравитации. При дополнительной механической нагрузке струя упруго вернулась в изначальное положение — вероятно, из-за эластичности поверхностного слоя оксидов. Таким образом, поверхностный окисленный слой металлов стабилизирует форму нити и оставляет ее мягкой. Авторы статьи предполагают в качестве одного из механизмов, обеспечивающих мягкую стабилизацию, синхронное осаждение и растворение окисленных металлов в гидроксиде натрия на его поверхности. В будущем для применения жидких проводов в электронике потребуется придумать, как их инкапсулировать и перенести из жидкой среды в другие.

Майкл Дикки уже не в первый раз изучает интересные гидромеханические свойства эвтектического сплава индия с галлием. Три года назад группа под его руководством рассмотрела особый тип неустойчивости, в ходе которой капля растекается с образованием двухмерных фрактальных структур — такой системой тоже можно управлять с помощью электрохимического воздействия.

Артем Моськин