液态金属从阳极转移到阴极而不发生短路

卧龙岗大学的研究人员在新型软物质传输方面取得了一个重要的里程碑，他们证明了液态金属从阳极转移到阴极而不产生短路，这违背了传统的预期。

王晓林教授领导的团队推出了一种方法，使液态金属(特别是镓基室温液态金属)阳极可以以小电流流向阴极而不会短路。

上个月发表在《自然化学工程》上的研究结果挑战了传统的电化学原理，并为形状可重构电导体的开发提供了广阔的前景。

“这项研究的意义延伸到许多潜在的应用，”王教授说。“液态金属液滴的连续来回转移以及转移的可控性，为软机器人和设备工程开辟了新的途径。”

避免短路

传统上，带正电的阳极在与阴极接触时会发生短路(见图1)。

这种新颖的方法允许液态金属从阳极流向阴极，而不会造成这种电气中断(见图2)。

图2。当液态金属阳极流向阴极、包围阴极然后转移到阴极时，可以避免电路中的短路。图片来源：舰队

在实验中，附着在阳极上的液态金属液滴由于电化学氧化而向阴极移动，因为电化学氧化降低了金属的界面张力。

通常，将固体电极(例如铜线)插入液态金属中以施加驱动金属表面电化学氧化的电压。电化学反应在最靠近阴极的金属末端发生得更加强烈，从而产生表面张力梯度(即马兰戈尼效应)。然后金属向相反的电极迁移。

“在这一点上，当液态金属完成电路时，预计会发生短路是合理的，”主要作者何亚华博士(UOW)说。

“然而，在我们的实验中，虽然金属接近并包围对电极，但它实际上并没有接触它，所以不存在短路。”液态金属继续流向阴极并包围它，直到最后金属完全从阳极分离并转移到阴极(见图3a)。

图3.(a)一个液态金属液滴的分离和转移。(b)两个等距液滴的分离和转移过程。(c)五个等距液滴的分离和转移。(d)非等距的五个液滴。图片来源：舰队

总之，成功地避免了短路，并使得液态金属液滴能够在水介质中选择性分离并同时从一个电极转移到另一个电极。可以选择将液滴完全从金属表面分离并同时转移到另一个金属表面而不发生短路。

临界厚度为250µm的气泡层对保护液态金属不发生短路、促进剥离和转移过程的顺利进行起主导作用，而氧化物也能防止液态金属在稀NaOH溶液(≤0.25M)，流动性减少。

一点一点地分解

该过程是选择性的，取决于阴极和液态金属之间的距离;只有最近的液态金属滴才会分离并转移(图3b-e)。

所有液态金属液滴阳极都具有相同的电势，因此都被驱动向阴极移动。然而，对于等距排列的液滴(图3b中的两个液滴和图3c中的五个液滴)，只有一个液滴可以分离和转移。

如图3b所示，两个液滴位于阴极的等距侧面。它们竞争变形并都向阴极移动。在此示例中，左侧液滴首先到达阴极，然后开始包围阴极，而右侧液滴则缩回到其初始位置(赢者通吃的情况)。结果，左边的液滴完全从阳极分离，同时转移到阴极。右侧的液滴停留在初始位置并保持附着在铜线上。

对于图3d中非等距排列的液滴，只有最靠近阴极的液滴选择性地分离和转移。因此，可以通过移动阴极来选择转移的液滴。该方法一次仅分离并转移一个液滴。

此外，一个液滴转移到阴极后，它可以随后充当新的阴极来分离并转移另一个液滴。此功能可实现具有多个液滴的液态金属系统的连续传输过程。

氢气和表面氧化物提供屏蔽

这种现象背后的根本机制涉及阴极的氢气泡、液态金属上的超薄表面氧化层以及屏蔽效应。这些因素共同防止短路并促进液态金属滴的选择性分离和转移。

当金属接近阴极时，三个主要因素变得重要：1)阴极处的氢气泡，2)液态金属上的表面氧化物层，3)屏蔽效应，如图4a-c所示。

前两个因素在物理上阻止短路(界面如图4d所示)，而第三个因素则实现液滴的选择性分离和转移过程。也就是说，当一个液态金属液滴包围阴极时，它会屏蔽其他液滴。结果，其他液滴终止氧化过程并退回到其初始位置。

当铜线被LMD润湿时，与未润湿的金属线相比，它会在更短的时间内与线融合。然后，LMD可以轻松抓住电线并将其拉回原始位置，就像液体触手一样(图5c)。

当通过将阴极放置在更靠近右侧液滴的同时稍微抬高培养皿的左侧来安排两个LM触手同时到达阴极时，在图5d中观察到类似的“接触抑制”。

当LMD在阴极处相遇时，它们不断从两个阳极流向单个阴极。当一个LMD脱离其阳极时，另一个LMD就会通过氧化迅速膨胀。此外，LM的触手将向移动的阴极移动以获取“能量”，类似于生物现象的趋化性。由于界面张力的梯度，阴极吸引LMD。

LM触手甚至可以沿着阴极转向电源，如图5e所示。LM触手能够通过移动阴极来相互接触或分离。

这种操纵可以扩展液态金属作为软机器人设备和执行器的形状可重构导体的有用策略。

此外，避免短路对电化学工程具有重要意义，例如对电化学活性物质的对流传输以及电极附近的传热的显着影响。

这项研究不仅挑战了传统的电化学原理，而且为形状可重构导体和执行器的开发提供了广阔的前景。避免短路对电化学工程具有重大意义，突出了对电化学活性物质的对流传输和电极附近的传热的深远影响。

更多信息：YahuaHe等人，液态金属在不短路