Forskare från University of Wollongong nådde en betydande milstolpe inom ny mjukmaterialtransport genom att demonstrera överföringen av flytande metall från en anod till en katod utan att skapa en kortslutning, vilket trotsade konventionella förväntningar.
Teamet under ledning av professor Xiaolin Wang avslöjar en metod där anoder av flytande metall (särskilt galliumbaserad, rumstemperatur flytande metall) kan flöda mot katoder med en liten elektrisk ström utan att kortsluta.
Resultaten, publicerade i Nature Chemical Engineering förra månaden, trotsar konventionella elektrokemiska principer och erbjuder lovande möjligheter för utveckling av form-omkonfigurerbara elektriska ledare.
"Konsekvenserna av denna forskning sträcker sig till många potentiella tillämpningar", säger prof Wang. "Kontinuerlig fram och tillbaka överföring av flytande metalldroppar och kontrollerbarheten av överföring öppnar nya vägar för mjuk robotik och enhetsteknik."
Konventionellt bör positivt laddade anoder kortsluta när de kommer i kontakt med en katod (se figur 1).
Den nya nya metoden tillåter flytande metall att flöda från anoden mot katoden utan att orsaka sådana elektriska störningar (se figur 2).
I experimentet rör sig droppar av flytande metall fästa på en anod mot katoden på grund av elektrokemisk oxidation, eftersom elektrokemisk oxidation sänker metallens gränsytspänning.
Typiskt sätts en solid elektrod (till exempel koppartråd) in i den flytande metallen för att applicera den spänning som driver den elektrokemiska oxidationen av metallytan. De elektrokemiska reaktionerna sker mer intensivt i änden av metallen närmast katoden, vilket skapar en ytspänningsgradient (dvs en Marangoni-effekt). Metallen migrerar sedan mot den motsatta elektroden.
"Vid denna tidpunkt hade det varit rimligt att förvänta sig en kortslutning eftersom den flytande metallen fullbordar den elektriska kretsen", säger huvudförfattaren Dr. Yahua He (UOW).
"Men i vårt experiment, även om metallen närmar sig och omger motelektroden, så rör den faktiskt inte vid den, så det finns ingen kortslutning." Den flytande metallen fortsätter att strömma mot katoden och omger den tills metallen slutligen lossnar helt från anoden och överförs till katoden (se figur 3a).
Sammanfattningsvis undviks kortslutningen framgångsrikt och möjliggör selektiv lösgöring och samtidig överföring av flytande metalldroppar från en elektrod till en annan i vattenhaltiga medier. En droppe kan väljas så att den lossas helt från en metallyta och samtidigt överföras till en annan metallyta utan kortslutning.
Bubbelskiktet med en kritisk tjocklek på 250 µm spelar en dominerande roll för att skydda den flytande metallen från kortslutning och underlätta den smidiga avskiljningen och överföringsprocessen, medan oxiderna också kan förhindra att den flytande metallen kortsluter i utspädd NaOH-lösning (≤ 0,25 M) med minskad likviditet.
Processen är selektiv och beror på avståndet mellan katod och flytande metall; endast den närmaste flytande metalldroppen lossnar och överförs (Figur 3b–e).
Alla flytande metall-droppanoder har samma potential och drivs således alla att röra sig mot katoden. Ändå, för på samma avstånd anordnade droppar (två droppar i fig. 3b och fem droppar i fig. 3c), kan bara en droppe lossna och överföras.
Såsom visas i figur 3b finns två droppar på sidorna av katoden på samma avstånd. De tävlar om att deformeras och båda rör sig mot katoden. I det här exemplet anländer den vänstra droppen först till katoden och börjar sedan omge katoden, medan den högra droppen dras tillbaka till sin ursprungliga position (ett vinnare-ta-allt-scenario). Som ett resultat lossnar den vänstra droppen helt från anoden och överförs samtidigt till katoden. Den högra droppen stannar i utgångsläget och förblir fäst vid koppartråden.
För icke-ekvidistant anordnade droppar i figur 3d, lossnar och överförs endast droppen närmast katoden selektivt. Således kan den överförda droppen väljas genom att flytta katoden. Denna metod tar bara bort och överför en droppe i taget.
Dessutom, efter att en droppe har överförts till katoden, kan den därefter tjäna som en ny katod för att lossa och överföra en annan droppe. Denna förmåga möjliggör en kontinuerlig överföringsprocess för flytande metallsystem med flera droppar.
De underliggande mekanismerna bakom detta fenomen involverar vätebubblor vid katoden, ett ultratunt ytoxidskikt på den flytande metallen och en skärmningseffekt. Dessa faktorer förhindrar tillsammans kortslutning och underlättar selektiv lossning och överföring av flytande metalldroppar.
När metallen närmar sig katoden blir tre primära faktorer viktiga:1) vätebubblor vid katoden, 2) ytoxidskiktet på den flytande metallen och 3) skärmningseffekt, som visas i figur 4a–c.
De första två faktorerna blockerar fysiskt kortslutning (gränssnittet illustreras i fig. 4d), medan den tredje faktorn möjliggör selektiv avskiljning och överföring av droppar. Det vill säga, när en flytande metalldroppe omger katoden, så skärmar den de andra dropparna. Som ett resultat avbryter andra droppar oxidationsprocessen och drar sig tillbaka till sina ursprungliga positioner.
Kontinuerlig överföring fram och tillbaka av flytande metalldroppar kan realiseras genom att vända elektrodernas polaritet.
Såsom visas i figur 5a, när elektroderna vänds om efter att flytande metall har överförts fullständigt till katoden, rör sig den flytande metallen tillbaka till utgångsläget. Dessutom kan överföringspositionen styras genom att placera en koppartråd mellan elektroderna, som visas i figur 5b.
När koppartråden fuktas av LMD smälter den samman med tråden på kortare tid jämfört med icke fuktad metalltråd. Sedan kan LMD enkelt ta tag i tråden och dra tillbaka den mot den ursprungliga positionen, som vätsketentakler (Figur 5c).
När två LM-tentakler är anordnade att anlända till katoden samtidigt genom att placera katoden närmare den högra droppen samtidigt som den vänstra sidan av petriskålen lyfts något, observeras en analog "kontaktinhibering" i figur 5d.
När LMD:erna möts med varandra vid katoden fortsätter de att flyta från båda anoderna till den enda katoden. När en LMD går sönder från sin anod, expanderar den andra snabbt genom oxidation. Dessutom kommer LM-tentaklarna att navigera mot den rörliga katoden för "energi", analogt med det biologiska fenomenet kemotaxi. Katoden attraherar LMDs på grund av gradienterna av gränsytspänningen.
LM-tentaklarna kan till och med vända sig för att följa katoden mot strömkällan, som visas i figur 5e. LM-tentaklarna kan komma i kontakt med eller separera från varandra genom att flytta katoden.
Applikationer
Sådan manipulation kan utöka användbara strategier för flytande metaller som form-omkonfigurerbara ledare för enheter och ställdon för mjuk robotik.
Dessutom har undvikandet av kortslutning konsekvenser för elektrokemisk ingenjörskonst, såsom den uttalade påverkan på den konvektiva transporten av elektrokemiskt aktiva ämnen såväl som på värmeöverföring nära elektroder.
Denna forskning strider inte bara mot konventionella elektrokemiska principer utan erbjuder också lovande möjligheter för utvecklingen av form-omkonfigurerbara ledare och ställdon. Undvikandet av kortslutning har betydande konsekvenser för elektrokemisk ingenjörskonst, vilket belyser den djupgående inverkan på konvektiv transport av elektrokemiskt aktiva ämnen och värmeöverföring nära elektroder.
Mer information: Yahua He et al, överföring av flytande metall från en anod till en katod utan kortslutning, Nature Chemical Engineering (2024). DOI:10.1038/s44286-024-00045-1
Journalinformation: Nature Chemical Engineering
Tillhandahålls av FLEET
