中科院理化所刘静团队《Advanced Materials Interfaces》封面文章
- 分类：科技创新
- 作者：赵曦
- 来源：前沿液态金属
- 发布时间：2023-03-17 10:09
- 访问量：
【概要描述】中科院理化所的刘静研究小组首次将极高表面张力的液态金属和溶液双流体引入两相界面系统，提出并阐述了一种由液态金属外膜和溶液内核组成的全新概念的混合囊泡。论文以正封面文章形式(如下图）发表于期刊《AdvancedMaterials Interfaces》上。
中科院理化所刘静团队《Advanced Materials Interfaces》封面文章
【概要描述】中科院理化所的刘静研究小组首次将极高表面张力的液态金属和溶液双流体引入两相界面系统，提出并阐述了一种由液态金属外膜和溶液内核组成的全新概念的混合囊泡。论文以正封面文章形式(如下图）发表于期刊《AdvancedMaterials Interfaces》上。
- 分类：科技创新
- 作者：赵曦
- 来源：前沿液态金属
- 发布时间：2023-03-17 10:09
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许多人关于童年的美好记忆中都有玩肥皂泡的经历。这个由一层水膜和内部空气构成的小小气泡中蕴含着丰富的科学问题。其中，气泡的产生、维持和破裂是界面科学一个重要的基础问题。常规用来研究气泡的流体通常是水，这是由于水具有较小的表面张力，并可以通过外加肥皂等表面活性剂来进一步降低，而低表面张力的流体对于气泡的稳定是有益的。一个有趣的问题是，如果组成气泡的水和空气被完全不同的流体系统所取代，会发生什么?
近日，中科院理化所的刘静研究小组首次将极高表面张力的液态金属和溶液双流体引入两相界面系统，提出并阐述了一种由液态金属外膜和溶液内核组成的全新概念的混合囊泡。论文以正封面文章形式（如下图）发表于期刊《AdvancedMaterials Interfaces》 上，题为“液态金属囊泡”(Zhao X,Liu J,Liquid metal vacuoles，AdvancedMaterials Interfaces,2022,2200583)。文章第一作者为中科院理化所液态金属与低温生物医学研究中心博士后赵曦，通讯作者为刘静教授。
刊印中的《Advanced Materials Interfaces》封面故事：文章报道了一种由高表面张力液态金属外膜和内部溶液组成的混合囊泡。
通过调节溶液组成，这种囊泡可以长期稳定存在，文章还展示了不同基质上囊泡的产生、维持和破裂过程。
该基室温液态金属作为一种特殊流体，其最明显的特征就是具有极大的表面张力，约是水的十倍大。从表面自由能的角度而言，液态金属很难形成膜泡状结构，即使瞬间形成也会立刻在曲面拉普拉斯压差的作用下破裂。而在此项液态金属囊泡的研究中，作者通过在碱性溶液中添加能够亲和于液态金属表面的活性剂成分来降低液态金属和溶液间的界面张力，从而降低囊泡体系的自由能，同时提升界面强度，促进了囊泡体系的稳定。实验证实，在精确控制的混合溶液配比下，液态金属囊泡的稳定性得到极大提升，寿命得到明显延长。最长寿命可超过300秒，且能够在保持不破裂的前提下通过外力推动囊泡进行运动。通过改变液态金属和注射溶液的填充体积，多种具有不同界面结构的大小不一的囊泡可以通过简单注射的方式大量地被制造产生，并结合高速摄影详细阐述了其产生和破裂过程如下图。
(a) 液态金属-溶液双流体囊泡示意图；(b) 囊泡的产生过程；(c, d) 囊泡的破裂过程；(e) 玻璃棒推动囊泡发生移动
除了调节混合溶液的组分外，研究者们还借助不同的基底材料与液态金属之间的电化学相互作用来进一步降低液态金属的表面张力并提升界面强度。实验发现，如果将玻璃基底换成石墨，液态金属囊泡将变得更加坚固，并表现出更加丰富的个体和集体行为，例如更为多样的囊泡结构，稳定的囊泡间合并、长大等。其主要机理在于石墨上液态金属表面双电层的电负性发生转变，一方面促进了液态金属-溶液界面对表面活性剂分子的吸附，增强了界面强度;另一方面使得液态金属表面产生一层极薄的氧化物，进一步降低了液态金属的表面张力。此外，接触角和粘附力测试也显示出液态金属与石墨界面间的润湿性和接触线强度都更高，这些也有助于囊泡稳定性的提高如下图。
(a, b) 玻璃和石墨上液态金属的接触角测试；(c, d) 粘附力测试；(e, f) 机理分析
在细致地阐释了液态金属囊泡的产生和维持机制外，此研究还展示了不同基底上囊泡的破裂过程。根据液态金属的氧化程度不同，液态金属外膜的粘弹性有显著区别，导致囊泡破裂时表现出塌陷和爆破两种不同的模式。而在石墨基底上，囊泡的破裂行为也变得更加丰富。实验发现，石墨上囊泡的破裂通常是从液态金属外膜上撕裂出一个孔洞开始，这个孔洞可以出现在囊泡的各个方位。孔洞一旦产生后，原本有液态金属外膜维持的囊泡内外稳定压差被打破，从而引发不稳定性，造成囊泡的破裂。此外，该研究还揭示了另一特殊的“两步走”破裂模式，即使液态金属外膜部分或全部揭开，内部溶液核仍可以借助其表面的一层网络状液态金属氧化物维持短时间的稳定后才爆破如下图。
(a, b) 石墨上液态金属囊泡的“两步走”破裂过程；(c) 囊泡破裂后喷射出的液态金属氧化物逐渐溶解
总的来说，此研究首次提出了液态金属囊泡的概念，并系统地阐述了囊泡的产生、维持和破裂过程，由此打开了诸多研究和应用空间。在界面科学领域，各种类型的表面活性物质（包括表面活性剂和带有锚定基团的分子）对囊泡系统的影响亟待研究，从而可以根据不同的实验条件（溶液性质和基材材料）选择性地添加合适的调控物质。此外，由于液态金属的高导电特性及双电层结构，混合囊泡可以进一步通过电磁场的控制而移动，并且有望在微重力环境中探索更多未知的流体界面现象。在新兴工程领域，混合液体囊泡结构提供了一种形成液态金属胶囊的机会，这在生物医学应用中非常重要。而如果能够在低温下将微/纳米颗粒添加到注射溶液中，该方法可以用于制备囊泡结构的轻质复合材料。
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。
赵曦博士后 中国科学院理化技术研究所，液态金属与低温生物医学研究中心博士后
主要研究方向为室温液态金属在不同外场 下的表面界面物理和流体力学。
邮箱：zhaoxi@mail.ipc.ac.cn
刘静教授 清华大学教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员
长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究并作出系列开创性贡献。发现液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了液态金属在生物医疗、柔性机器人、印刷电子、3D打印、先进能源以及芯片冷却等领域突破性应用，提出并推动了中国液态金属谷与液态金属全新工业的创建 和发展，成果在世界 范围产生广泛影响。
邮箱：jliu@mail.ipc.ac.cn
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