Forskare från North Carolina State University har visat en teknik som gör att de kan producera strömmar av flytande metall vid rumstemperatur. Genom att applicera en låg spänning på den flytande metallen, forskarna kunde justera dess ytspänning över minst tre storleksordningar.

"Vätskor vill bilda droppar, eftersom det sänker deras ytenergi, " säger Michael Dickey, en professor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid NC State och medförfattare till studien. "Och det är särskilt sant för flytande metaller, eftersom de har mycket högre ytspänning än andra vätskor."

Ytspänningen mäts i enheter av millinewton per meter. De flesta vätskor, som bensin eller vatten, har ytspänningsvärden mellan 20 och 72 millinewton per meter. Galliumlegeringar, som användes i NC State-studien, ha en ytspänning på minst 500 millinewton per meter.

"Vi kan sänka ytspänningen från 500 till 0,1 genom att applicera mindre än en volt, " säger Minyung Song, som nyligen försvarade sin doktorsexamen. vid NC State och är första författare till uppsatsen. "Och det förändrar helt hur den flytande metallen beter sig."

Om du började pressa ut galliumindiumlegering ur ett munstycke, den formas till en droppe på grund av sin höga ytspänning. Om du ville skapa en ström av flytande metall, du måste applicera en tillräckligt hög flödeshastighet för att mata ut det snabbt från munstycket. Men även då, den resulterande strömmen skulle inte vara särskilt stabil.

Dock, Att anbringa en låg spänning på den flytande metallen när metallen är under vatten skapar ett tunt lager av oxid vid ytan. Detta gör det möjligt för forskarna att skapa rinnande strömmar av flytande metall som har diametern av ett människohår - och en låg flödeshastighet.

"Denna oxid fungerar som tvålmolekyler gör för vatten, sänka ytspänningen och minska vätskans tendens att pärla sig, säger Karen Daniels, professor i fysik vid NC State och medförfattare till studien, "men här är effekten helt reversibel genom att stänga av spänningen. Man kan inte lätt ta tillbaka tvålen ur vattnet."

När lågspänningen appliceras på flytande metall i rörelse, det skapar effektivt en flytande oxidhud som löper längs ytan av den flytande metallen. Med andra ord, oxidskiktet är inte statiskt – det hela flyter stadigt ut ur munstycket, som en tråd.

Tekniken ger forskarna stor kontroll över hur den flytande metallen beter sig, eftersom - upp till en viss punkt - ju högre spänning de applicerar på den flytande metallen, desto lägre är den flytande metallens ytspänning. Dock, vid de högsta spänningarna, oxidskiktet bildar en tjock skorpa som stör hur metallen flyter. Detta resulterar i ett vätskeflöde som liknar droppande vax. Forskargruppen hade tidigare visat att en lågspänning på en flytande metalldroppe i vila sänker dess ytspänning och får den att bilda fraktala mönster. Den studien utfördes också på flytande metall under vattnet. Denna nya studie är den första som tar upp vad som händer när den flytande metallen är i rörelse.

"Vi har bara börjat utforska hela skalan av potentiella tillämpningar för denna teknik, " Dickey säger. "En idé skulle vara att effektivt skapa flytande metalltrådar vid rumstemperatur. Om du omsluter dem i ett elastiskt hölje, du skulle ha töjbara trådar. Det kan också användas som ett nytt verktyg för att studera och kontrollera vätskebeteende. Det är spännande eftersom mer än 100 år av vetenskapliga studier visar att vätskeströmmar bryts upp i droppar. Vi har hittat ett enkelt sätt att stabilisera dessa strömmar."

Studien, "Att övervinna Rayleigh-Plateau-instabiliteter:Stabilisera och destabilisera flytande metallströmmar via elektrokemisk oxidation, " publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .