Kontrol af strømme af flydende metal ved stuetemperatur

Forskere fra North Carolina State University har demonstreret en teknik, der giver dem mulighed for at producere strømme af flydende metal ved stuetemperatur. Ved at påføre det flydende metal en lav spænding, forskerne var i stand til at justere dens overfladespænding på tværs af mindst tre størrelsesordener.

"Væsker vil danne dråber, fordi det sænker deres overfladeenergi, "siger Michael Dickey, en professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State og medkorresponderende forfatter af undersøgelsen. "Og det gælder især for flydende metaller, fordi de har meget højere overfladespænding end andre væsker. "

Overfladespænding måles i enheder af millinewtons pr. Meter. De fleste væsker, såsom benzin eller vand, har overfladespændingsværdier mellem 20 og 72 millinewtons pr. meter. Galliumlegeringer, som blev brugt i NC State -undersøgelsen, have en overfladespænding på mindst 500 millinewtons pr. meter.

"Vi kan sænke overfladespændingen fra 500 til 0,1 ved at anvende mindre end en volt, "siger Minyung Song, der for nylig forsvarede sin ph.d. i NC State og er første forfatter til papiret. "Og det ændrer fuldstændigt, hvordan det flydende metal opfører sig."

Hvis du begyndte at presse gallium indiumlegering ud af en dyse, den dannes til en dråbe på grund af dens høje overfladespænding. Hvis du ville skabe en strøm af flydende metal, du bliver nødt til at anvende en høj nok strømningshastighed til at skubbe den hurtigt ud af dysen. Men selv da, den resulterende strøm ville ikke være særlig stabil.

Imidlertid, påføring af en lav spænding på det flydende metal, når metallet er under vand, skaber et tyndt lag oxid på overfladen. Dette gør det muligt for forskerne at oprette løbende strømme af flydende metal, der har diameteren af ​​et menneskehår-og en lav strømningshastighed.

"Dette oxid virker som sæbemolekyler for vand, sænker overfladespændingen og reducerer væskens tendens til at perle op, "siger Karen Daniels, professor i fysik ved NC State og medsvarende forfatter af undersøgelsen, "men her er effekten fuldstændig reversibel ved at slukke for spændingen. Du kan ikke let tage sæben tilbage af vandet."

Når lavspændingen påføres flydende flydende metal, det skaber effektivt en flydende oxidhud, der løber langs overfladen af ​​det flydende metal. Med andre ord, oxidlaget er ikke statisk - det hele flyder støt ud af dysen, som en ledning.

Teknikken giver forskere stor kontrol over, hvordan det flydende metal opfører sig, fordi - op til et punkt - jo højere spænding de påfører det flydende metal, jo lavere flydende metal overfladespænding. Imidlertid, ved de højeste spændinger, oxidlaget danner en tyk skorpe, der forstyrrer måden, hvorpå metallet flyder. Dette resulterer i en væskestrøm, der ligner dryppende voks. Forskergruppen havde tidligere vist, at påføring af lav spænding på en flydende metaldråbe i hvile sænker dens overfladespænding og får den til at danne fraktalmønstre. Denne undersøgelse blev også udført på flydende metal under vandet. Denne nye undersøgelse er den første til at tage fat på, hvad der sker, når det flydende metal er i bevægelse.

"Vi begynder kun at undersøge hele spektret af potentielle applikationer til denne teknik, "Dickey siger." En idé ville være at effektivt skabe flydende metaltråde ved stuetemperatur. Hvis du indkapsler dem i en elastisk kappe, du ville have strækbare ledninger. Det kan også bruges som et nyt værktøj til at studere og kontrollere væskeadfærd. Det er spændende, fordi mere end 100 års videnskabelige undersøgelser viser, at flydende strømme bryder op i dråber. Vi har fundet en enkel måde at stabilisere disse vandløb på. "

Studiet, "Overvindelse af Rayleigh-Plateau ustabilitet:Stabilisering og destabilisering af flydende metalstrømme via elektrokemisk oxidation, "udgives i Procedurer fra National Academy of Sciences .