电场及磁场同时可控的新型功能液态金属

镓基室温液态金属具有独特的表面性质、理化特性以及良好的生物兼容性,通过外加能量场可实现液态金属的变形、移动、分离以及融合等多种形态学变化,在微纳机电系统、微流体、生物医学以及机器人等领域展示出了巨大的应用前景,近年来引起国际上的广泛关注。

对液态金属施加极小的外加电场或者通过某种化学反应(与金属铝反应)均可造成液态金属表面电荷分布不均,然而由于镓基室温液态金属巨大的表面张力,细微的表面双电层电荷分布梯度即可引起表面张力的较大变化,进而驱动液态金属运动或变形,这是液态金属可以被高效驱动的原因所在。依靠外电场或者化学反应的方式是目前镓基室温液态金属的主要的驱动手段,但是仅仅依靠表面张力改变形成驱动,驱动力非常有限,液态金属的可控运动被局限在2D平面内,这大大限制了液态金属在柔性机器人及自适应天线等可变形器件上的应用。为了克服上述限制,提升镓基液态金属的驱动能力,国际上许多个研究小组尝试通过将铁磁性物质包裹在液态金属表面或者直接混入液态金属内部,对液态金属做磁改性,期望通过非接触式磁场控制的方式赋予液态金属更强大的驱动能力。然而,目前的所有尝试均会对液态金属的内在性质造成较大影响,严重影响液态金属的表面流动性,变形能力以及柔性,丧失了液态金属本身的优势。

苏州大学机器人与微系统中心李相鹏副教授团队、中国科学技术大学精密仪器系张世武副教授团队以及澳大利亚卧龙岗大学李卫华教授团队组成的联合研究小组研制出一种新型功能液态金属,其不仅拥有与镓基室温液态金属Galinstan一样的理化特性及形态学特性、相似的变形能力及运动能力外,还可以有效的被外部电场和磁场同时驱动。研究者利用金属铜元素与镓在酸性条件下极易形成金属键,相互润湿的性质,成功的将铜铁合金纳米粉悬浮到镓基室温液态金属Galinstan中,通过电化学分选的方法,制备出了低粘度,低磁流变效应的新型功能液态金属。通过对该新型液体金属理化性质的测试和分析,阐明了功能液态金属的形成机理,阐述了制备工艺及参数对其理化性能的影响。值得注意的是,研究人员通过电场及磁场的耦合控制,精确驱动功能液态金属液滴(50 µL)实现了在三维管道上的爬坡运动,速度高达11厘米/秒,首次将液态金属的非接触式可控运动由2维平面拓展到了3维空间。

研究者相信,此项研究启发了一种新型液态金属材料及其驱动方式,会为液态金属在机器人及柔性可变形器件的应用开启一扇窗户。相关成果在线发表在Advanced Materials Technologies(DOI:10.1002/admt.201800694)。

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