中科院理化所刘静教授团队 Small：冰上之舞的自旋液态金属液滴

2023-04-13 来源：高分子科技

借助一层薄薄的气、液膜漂浮于承托基底上的液滴具有极高的自由度，只要外界条件发生稍许改变，液滴的运动行为即会出现千变万化。这种与固体/液体表面不接触、不润湿的液滴，不仅具有重要的基础科学研究价值，同时也会影响工程实践中的液滴操控。

从不同于传统的流体（水或油）出发，来自中国科学院理化技术研究所（理化所）的刘静教授团队围绕镓基室温液态金属这一具有极高表面张力的特殊流体（表面张力约是水的十倍），近年来在高自由度漂浮液滴研究中发现和阐释了一系列奇特的表界面现象，如：电化学产氢气垫弹簧触发的液滴跳跃（Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 223901），电场触发的液滴冲浪（Appl. Phys. Lett. 2017, 111, 101603），旋转磁场驱动的液滴不融合（Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 083702），竖直振动液池上的液滴对行星绕转现象（Phys. Rev. Fluids 2020, 5, 053603），以及液滴群自组装行为（Phys. Rev. Fluids 2018, 3, 124804）等。

近日，刘静教授团队在一项最新研究中首次报道了基于双流体固液相变及液膜润滑下的液态金属液滴在冰面上的自旋现象，如同冰上之舞一般。该工作以“Spinning Liquid Metal Droplets on Ice”为题发表在《Small》上（Small, 2023, 2300158），文章第一作者为理化所博士后赵曦。研究人员发现，当将一个室温液态金属镓液滴置于冰块上后，随着镓液滴的凝固附近的冰迅速融化，与此同时金属液滴发生快速的自旋现象，并逐渐在冰洞内下沉（图1）。液滴的运动模式具有多样化的特点，可以发生单向逆时针自旋，单向顺时针自旋，中途变向，以及竖直下沉等模式。液滴自旋的驱动机理在于液态金属液滴遇到冰后触发瞬间凝固放热，使冰迅速融化由此建立起了一层润滑水膜（双流体固液相变），同时从冰块内释放出的气泡会在液滴周向施加不平衡力，继而推动了液滴自旋运动。其中，润滑水膜和逸出气泡为两个关键因素，需同时满足才能触发液滴自旋（图2）。液滴自旋和凝固过程同时同步进行，自旋运动特性受凝固过程传热，尤其是过冷度影响。此外，研究者还阐明了这种冰上的自旋行为对于不同的物体具有普适性，只需满足一定的热力学和动力学条件即可发生（图3）。

图1. (a) 实验操作过程示意；(b, c) 一个逆时针自旋液态金属镓液滴的俯视图和侧视图；(d) 自旋液滴边缘点的轨迹；(e) 液滴在竖直方向上的位置随时间的变化；(f) 液滴自旋角速度随时间的变化。

图2. 探究液滴自旋驱动机理的对比实验. (a) 在无气泡的纯冰上液滴竖直下沉；(b) 有气泡冰上液滴自旋，而无气泡冰上液滴竖直下沉；(c) 一个顺时针旋转的液滴受一簇逸出的气泡影响转为逆时针旋转；(d) 不锈钢冰块上镓液滴的凝固过程；(e) 冰块上镓液滴凝固过程的水膜变化；(f) 冰上液滴自旋的驱动机理示意。

图3. (a) 不同液态金属液滴凝固前后的形态；(b) 80°C不锈钢球和玻璃球在冰上的运动比较；(c, d) 两种固体球的轨迹和角速度；(e-h) 不同液态金属液滴和固体球的运动特征参数的统计比较：(e) 自旋周期；(f) 开始自旋前的迟疑时间；(g) 整个自旋过程耗时和完成第一圈耗时；(h) 实验目标的半径和质量。

此项工作发现的冰上液态金属液滴自旋效应，从相变过程产生的薄膜润滑特点来看，与经典的Leidenfrost效应具有异曲同工之妙，但是该体系直接利用了液态金属凝固过程中的相变潜热作为热源，无需加热措施便可自发旋转。未来通过类似的机制还可以挖掘更多在薄膜润滑下的液态金属液滴所能展现出的奇特现象和行为，例如将冰块替换为石蜡、液氮、干冰等介质。此外，在液态金属用于相变控温、柔性电子、3D打印、以及肿瘤栓塞等领域时，均有可能会遇到与非等温介质接触从而发生相变的情况，该研究有助于在这些应用场景内预先选择性地抑制或促进相变液膜润滑和物体运动。
以上研究得到中科院前沿科学项目以及国家自然科学基金重点项目资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300158

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（责任编辑：xu）

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