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中科院理化所劉靜團隊《Advanced Materials Interfaces》封面文章
- 分類：行業新聞
- 作者：趙曦
- 來源：前沿液態金屬
- 發布時間：2023-03-16 10:44
【概要描述】中科院理化所的劉靜研究小組首次將極高表面張力的液態金屬和溶液雙流體引入兩相界面系統，提出并闡述了一種由液態金屬外膜和溶液內核組成的全新概念的混合囊泡。論文以正封面文章形式（如下圖）發表于期刊《AdvancedMaterials Interfaces》 上。
中科院理化所劉靜團隊《Advanced Materials Interfaces》封面文章
【概要描述】中科院理化所的劉靜研究小組首次將極高表面張力的液態金屬和溶液雙流體引入兩相界面系統，提出并闡述了一種由液態金屬外膜和溶液內核組成的全新概念的混合囊泡。論文以正封面文章形式（如下圖）發表于期刊《AdvancedMaterials Interfaces》 上。
- 分類：行業新聞
- 作者：趙曦
- 來源：前沿液態金屬
- 發布時間：2023-03-16 10:44
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許多人關于童年的美好記憶中都有玩肥皂泡的經歷。這個由一層水膜和內部空氣構成的小小氣泡中蘊含著豐富的科學問題。其中，氣泡的產生、維持和破裂是界面科學一個重要的基礎問題。常規用來研究氣泡的流體通常是水，這是由于水具有較小的表面張力，并可以通過外加肥皂等表面活性劑來進一步降低，而低表面張力的流體對于氣泡的穩定是有益的。一個有趣的問題是，如果組成氣泡的水和空氣被完全不同的流體系統所取代，會發生什么?
近日，中科院理化所的劉靜研究小組首次將極高表面張力的液態金屬和溶液雙流體引入兩相界面系統，提出并闡述了一種由液態金屬外膜和溶液內核組成的全新概念的混合囊泡。論文以正封面文章形式（如下圖）發表于期刊《AdvancedMaterials Interfaces》 上，題為“液態金屬囊泡”(Zhao X,Liu J,Liquid metal vacuoles，AdvancedMaterials Interfaces,2022,2200583)。文章第一作者為中科院理化所液態金屬與低溫生物醫學研究中心博士后趙曦，通訊作者為劉靜教授。
刊印中的《Advanced Materials Interfaces》封面故事：文章報道了一種由高表面張力液態金屬外膜和內部溶液組成的混合囊泡。
通過調節溶液組成，這種囊泡可以長期穩定存在，文章還展示了不同基質上囊泡的產生、維持和破裂過程。
該基室溫液態金屬作為一種特殊流體，其最明顯的特征就是具有極大的表面張力，約是水的十倍大。從表面自由能的角度而言，液態金屬很難形成膜泡狀結構，即使瞬間形成也會立刻在曲面拉普拉斯壓差的作用下破裂。而在此項液態金屬囊泡的研究中，作者通過在堿性溶液中添加能夠親和于液態金屬表面的活性劑成分來降低液態金屬和溶液間的界面張力，從而降低囊泡體系的自由能，同時提升界面強度，促進了囊泡體系的穩定。實驗證實，在精確控制的混合溶液配比下，液態金屬囊泡的穩定性得到極大提升，壽命得到明顯延長。最長壽命可超過300秒，且能夠在保持不破裂的前提下通過外力推動囊泡進行運動。通過改變液態金屬和注射溶液的填充體積，多種具有不同界面結構的大小不一的囊泡可以通過簡單注射的方式大量地被制造產生，并結合高速攝影詳細闡述了其產生和破裂過程如下圖。
(a) 液態金屬-溶液雙流體囊泡示意圖；(b) 囊泡的產生過程；(c, d) 囊泡的破裂過程；(e) 玻璃棒推動囊泡發生移動
除了調節混合溶液的組分外，研究者們還借助不同的基底材料與液態金屬之間的電化學相互作用來進一步降低液態金屬的表面張力并提升界面強度。實驗發現，如果將玻璃基底換成石墨，液態金屬囊泡將變得更加堅固，并表現出更加豐富的個體和集體行為，例如更為多樣的囊泡結構，穩定的囊泡間合并、長大等。其主要機理在于石墨上液態金屬表面雙電層的電負性發生轉變，一方面促進了液態金屬-溶液界面對表面活性劑分子的吸附，增強了界面強度;另一方面使得液態金屬表面產生一層極薄的氧化物，進一步降低了液態金屬的表面張力。此外，接觸角和粘附力測試也顯示出液態金屬與石墨界面間的潤濕性和接觸線強度都更高，這些也有助于囊泡穩定性的提高如下圖。
(a, b) 玻璃和石墨上液態金屬的接觸角測試；(c, d) 粘附力測試；(e, f) 機理分析
在細致地闡釋了液態金屬囊泡的產生和維持機制外，此研究還展示了不同基底上囊泡的破裂過程。根據液態金屬的氧化程度不同，液態金屬外膜的粘彈性有顯著區別，導致囊泡破裂時表現出塌陷和爆破兩種不同的模式。而在石墨基底上，囊泡的破裂行為也變得更加豐富。實驗發現，石墨上囊泡的破裂通常是從液態金屬外膜上撕裂出一個孔洞開始，這個孔洞可以出現在囊泡的各個方位。孔洞一旦產生后，原本有液態金屬外膜維持的囊泡內外穩定壓差被打破，從而引發不穩定性，造成囊泡的破裂。此外，該研究還揭示了另一特殊的“兩步走”破裂模式，即使液態金屬外膜部分或全部揭開，內部溶液核仍可以借助其表面的一層網絡狀液態金屬氧化物維持短時間的穩定后才爆破如下圖。
(a, b) 石墨上液態金屬囊泡的“兩步走”破裂過程；(c) 囊泡破裂后噴射出的液態金屬氧化物逐漸溶解
總的來說，此研究首次提出了液態金屬囊泡的概念，并系統地闡述了囊泡的產生、維持和破裂過程，由此打開了諸多研究和應用空間。在界面科學領域，各種類型的表面活性物質（包括表面活性劑和帶有錨定基團的分子）對囊泡系統的影響亟待研究，從而可以根據不同的實驗條件（溶液性質和基材材料）選擇性地添加合適的調控物質。此外，由于液態金屬的高導電特性及雙電層結構，混合囊泡可以進一步通過電磁場的控制而移動，并且有望在微重力環境中探索更多未知的流體界面現象。在新興工程領域，混合液體囊泡結構提供了一種形成液態金屬膠囊的機會，這在生物醫學應用中非常重要。而如果能夠在低溫下將微/納米顆粒添加到注射溶液中，該方法可以用于制備囊泡結構的輕質復合材料。
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。
趙曦博士后 中國科學院理化技術研究所，液態金屬與低溫生物醫學研究中心博士后
主要研究方向為室溫液態金屬在不同外場 下的表面界面物理和流體力學。
郵箱：zhaoxi@mail.ipc.ac.cn
劉靜教授
清華大學教授、中國科學院理化技術研究所雙聘研究員
長期從事液態金屬、生物醫學工程與工程熱物理等領域交叉科學問題研究并作出系列開創性貢獻。發現液態金屬諸多全新科學現象、基礎效應和變革性應用途徑，開辟了液態金屬在生物醫療、柔性機器人、印刷電子、3D打印、先進能源以及芯片冷卻等領域突破性應用，提出并推動了中國液態金屬谷與液態金屬全新工業的創建 和發展，成果在世界 范圍產生廣泛影響。
郵箱：jliu@mail.ipc.ac.cn
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