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中科院理化所劉靜教授團隊 Small：冰上之舞的自旋液態金屬液滴

2023-04-13 來源：高分子科技

借助一層薄薄的氣、液膜漂浮于承托基底上的液滴具有極高的自由度，只要外界條件發生稍許改變，液滴的運動行為即會出現千變萬化。這種與固體/液體表面不接觸、不潤濕的液滴，不僅具有重要的基礎科學研究價值，同時也會影響工程實踐中的液滴操控。

從不同于傳統的流體（水或油）出發，來自中國科學院理化技術研究所（理化所）的劉靜教授團隊圍繞鎵基室溫液態金屬這一具有極高表面張力的特殊流體（表面張力約是水的十倍），近年來在高自由度漂浮液滴研究中發現和闡釋了一系列奇特的表界面現象，如：電化學產氫氣墊彈簧觸發的液滴跳躍（Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 223901），電場觸發的液滴沖浪（Appl. Phys. Lett. 2017, 111, 101603），旋轉磁場驅動的液滴不融合（Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 083702），豎直振動液池上的液滴對行星繞轉現象（Phys. Rev. Fluids 2020, 5, 053603），以及液滴群自組裝行為（Phys. Rev. Fluids 2018, 3, 124804）等。

近日，劉靜教授團隊在一項最新研究中首次報道了基于雙流體固液相變及液膜潤滑下的液態金屬液滴在冰面上的自旋現象，如同冰上之舞一般。該工作以“Spinning Liquid Metal Droplets on Ice”為題發表在《Small》上（Small, 2023, 2300158），文章第一作者為理化所博士后趙曦。研究人員發現，當將一個室溫液態金屬鎵液滴置于冰塊上后，隨著鎵液滴的凝固附近的冰迅速融化，與此同時金屬液滴發生快速的自旋現象，并逐漸在冰洞內下沉（圖1）。液滴的運動模式具有多樣化的特點，可以發生單向逆時針自旋，單向順時針自旋，中途變向，以及豎直下沉等模式。液滴自旋的驅動機理在于液態金屬液滴遇到冰后觸發瞬間凝固放熱，使冰迅速融化由此建立起了一層潤滑水膜（雙流體固液相變），同時從冰塊內釋放出的氣泡會在液滴周向施加不平衡力，繼而推動了液滴自旋運動。其中，潤滑水膜和逸出氣泡為兩個關鍵因素，需同時滿足才能觸發液滴自旋（圖2）。液滴自旋和凝固過程同時同步進行，自旋運動特性受凝固過程傳熱，尤其是過冷度影響。此外，研究者還闡明了這種冰上的自旋行為對于不同的物體具有普適性，只需滿足一定的熱力學和動力學條件即可發生（圖3）。

圖1. (a) 實驗操作過程示意；(b, c) 一個逆時針自旋液態金屬鎵液滴的俯視圖和側視圖；(d) 自旋液滴邊緣點的軌跡；(e) 液滴在豎直方向上的位置隨時間的變化；(f) 液滴自旋角速度隨時間的變化。

圖2. 探究液滴自旋驅動機理的對比實驗. (a) 在無氣泡的純冰上液滴豎直下沉；(b) 有氣泡冰上液滴自旋，而無氣泡冰上液滴豎直下沉；(c) 一個順時針旋轉的液滴受一簇逸出的氣泡影響轉為逆時針旋轉；(d) 不銹鋼冰塊上鎵液滴的凝固過程；(e) 冰塊上鎵液滴凝固過程的水膜變化；(f) 冰上液滴自旋的驅動機理示意。

圖3. (a) 不同液態金屬液滴凝固前后的形態；(b) 80°C不銹鋼球和玻璃球在冰上的運動比較；(c, d) 兩種固體球的軌跡和角速度；(e-h) 不同液態金屬液滴和固體球的運動特征參數的統計比較：(e) 自旋周期；(f) 開始自旋前的遲疑時間；(g) 整個自旋過程耗時和完成第一圈耗時；(h) 實驗目標的半徑和質量。

此項工作發現的冰上液態金屬液滴自旋效應，從相變過程產生的薄膜潤滑特點來看，與經典的Leidenfrost效應具有異曲同工之妙，但是該體系直接利用了液態金屬凝固過程中的相變潛熱作為熱源，無需加熱措施便可自發旋轉。未來通過類似的機制還可以挖掘更多在薄膜潤滑下的液態金屬液滴所能展現出的奇特現象和行為，例如將冰塊替換為石蠟、液氮、干冰等介質。此外，在液態金屬用于相變控溫、柔性電子、3D打印、以及腫瘤栓塞等領域時，均有可能會遇到與非等溫介質接觸從而發生相變的情況，該研究有助于在這些應用場景內預先選擇性地抑制或促進相變液膜潤滑和物體運動。
以上研究得到中科院前沿科學項目以及國家自然科學基金重點項目資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300158

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（責任編輯：xu）

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