【原】Phy. Rev. let.：神奇的液态金属雪花

指型分支图案往往可以通过多种不同的扩散机制而产生：粘性扩散、定向凝固、零表面张力流体、细菌菌落生长、介电击穿等等。液态金属由于其在热学、光学、电学等等领域具有特殊的性质而具有许多潜在的应用价值。但是，已知的，任何的室温金属流体的表面张力都非常大，导致难以流动，所以不太可能形成指型分支图案。

而来自美国北卡罗来纳州立大学的一个科研团队发现液态金属液滴可以长成雪花状。他们试图用一滴液态镓铟合金作为电化学电池中的电极时，发现了一些奇怪的现象：在几秒钟内，金属开始扩散成为雪花般的形状。这对于具有很大表面张力的液体来说，是很不寻常的行为，因为它们很难扩散，更不要说形成这样的图案了。

液态金属雪花的装置图和过程示意图

（来源：Phy.Rev. let. ）

然而，施加中等电压会引起镓铟合金与周围电解质（氢氧化钠的水溶液）之间的反应。金属表面逐会被氧化，这会降低其表面张力，同样地，氢氧化钠也会降低水的表面张力。由于重力，液态金属会扩散成如圆盘状，而其表面受到的干扰继续将其边缘分解成单个的“花瓣”。随着它们的生长，花瓣会分裂成更多的分枝，就这样形成复杂的指型分支图案。

形成液态金属雪花的动力学分析

（来源：Phy.Rev. let. ）

最大的液态金属雪花尺寸大约是原始液滴的20倍，并且是在不到半分钟的时间内快速形成。有趣的是，研究人员发现，这种效应只能在2V左右的窄电压范围下才会出现。如果电压较之2V太低，则金属液滴的表面氧化效果太弱，不足以扰乱其形状。而如果电压太高，则液态金属表面的氧化层会变得太过厚实而不会出现金属液滴扩散和破裂的现象。

电势与体积的关系

（来源：Phy.Rev. let. ）

经过实验后表明，表面化学氧化过程有效地降低了界面张力，并驱使镓铟液态合金产生不稳定性，一直到氧化物变得太厚并且阻碍进一步的氧化。这种液态金属行为令人颇感兴趣，原因有多种：它表明可以通过调节氧化层以产生液态金属的不稳定性并且还可以最终停止金属的不稳定状态；它表面可以使用适度的电压来定位和控制在液体界面处的压应力；它具有被应用于需要可重构形状导体的设备中的潜力。此外，测量的数据展示了一类新的自相似动力学模型，确定局部效应与非局部效应的相关性将是分析这一模型的关键。以简单，低功耗和可扩展的方式来改变金属形状的能力，可以帮助创建新型电子设备。液态金属已经开始应用于小型化交通工具里，比如车轮。未来的工作将集中在量化控制压应力方面，包括时间动力学和应用潜能的开发。如果我们可以精确地控制液态金属的形状，那么就可以帮助我们设计新型的软电子产品。

论文链接：

https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.174502

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