CN111534841B - 一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿及应用，属于微纳米技术及功能材料制备技术领域。本发明通过电化学沉积方法制备了一种具有微纳米结构的金属多孔网表面，其制备方法简单、易操作，且成本低；并利用电场诱导液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网表面实现快速可逆润湿。此外本发明通过将电场诱导液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网上的可逆润湿性应用到可控液体渗透器件中，以实现灵活控制液体渗透。综上，本发明公开保护的技术方案实现了金属基底表面液态金属快速去润湿及达到了快速可逆润湿效果，适于市面推广与应用。
Description
技术领域
本发明属于微纳米技术及功能材料制备技术领域，具体涉及电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿及应用，尤其涉及电场诱导液态金属在微纳米结构多孔网金属基底上的可逆润湿以及利用由该基底组成的液态金属快速润湿性切换体系进行液体输运的智能控制。
背景技术
液态金属电润湿，即液态金属在电场诱导下表面张力改变，从而在基底上发生变形或驱动，其在柔性电子产品制备、图案化设计、液体输运控制等方面具有巨大的应用潜能，备受科学家的关注。目前现有技术报道液态金属在不同的基底上可以实现润湿行为，且液态金属在非金属基底上(如PDMS、PMMA等)具有良好的去润湿性，而液态金属虽然在金属基底上可以实现良好的电润湿行为，可用于驱动等应用，但是由于液态金属与金属基底之间容易发生溶解反应，使得液态金属在金属表面具有高粘附性，以致难以实现去润湿，从而使得液态金属在金属基底(电极)上的研究及实际应用受到了极大程度的限制。因此，如何实现金属基底表面液态金属快速去润湿仍然具有很大的挑战。
综上，如何开发一种利用电场诱导液态金属在微纳米结构多孔网金属基底上实现快速可逆润湿是本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿及应用。
为了实现上述目的，本发明提供了一种微纳米结构不锈钢多孔网的制备方法，具体方法如下：
一种微纳米结构不锈钢多孔网的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
(1)配置电解质溶液：将预先用水初溶的氟化物与多元醇按照配比混合均匀，得到电解质溶液；
其中，氟化物为氢氟酸或氟化铵，多元醇为乙醇、乙二醇或丙三醇。
进一步优选的，所述氟化物为氟化铵，多元醇为乙二醇。
(2)制备微纳米结构多孔网：将两片干净的不锈钢网分别作为阴极和阳极***步骤(1)制备的电解质溶液中，沉积反应预定时间，随后将阴极干燥晾干，即得微纳米结构不锈钢多孔网。
优选的，所述步骤(1)中，氟化物与水初溶的质量/体积配比关系为(0.2～1.0)g：(1～10)mL，且氟化物与多元醇混溶的质量/体积配比关系为(0.2～1.0)g：(135～150)mL。
优选的，所述步骤(2)中，沉积反应电压为25～60V，沉积反应时间为20～110min。
需要说明的是，本发明上述电化学沉积制备微纳米结构不锈钢多孔网的反应机理为：反应过程中由阳极网氧化在电解质溶液中生成的镍、铬等化合物发生还原反应沉积到阴极网上。
综上，本发明公开了一种操作简单、成本低廉的制备微纳米结构不锈钢多孔网的方法，通过反应在不锈钢多孔网(30～2000μm)上沉积微纳米颗粒并形成次级结构，以使所述微纳米结构形成了低粘附表面，从而实现了液态金属在其表面的快速去润湿(具体的微纳米结构不锈钢多孔网的SEM形貌图参见图2)。
本发明将上述制备的微纳米结构不锈钢多孔网作为金属基底，并请求保护一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，具体方案如下：
一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，所述金属基底为微纳米结构不锈钢多孔网，具体包括如下步骤：
步骤一：将电源的两电极分别***NaOH溶液中，其中一电极与金属基底连接，另一电极悬空位于所述金属基底的上方；
步骤二：在步骤(1)公开的电路连接结构中，将液态金属置于所述金属基底上，通过改变电场方向观察所述液态金属在所述金属基底上的润湿情况。
进一步的，所述NaOH溶液浓度为0.1～4mol/L，且所述金属基底置于NaOH溶液中，及所述金属基底与所述电源电性连接。
需要说明的是，所选溶液还可为KOH等碱性溶液，碱性溶液中的OH-与液态金属表面的镓氧化物发生反应，可以使铺开的液态金属恢复到球状。
更进一步的，在所述电源处于的电路中接入双刀双掷开关，以随时转变电场方向。
综上，本发明申请公开提供了一种有利于电场诱导的液态金属在金属基底上快速去润湿的低粘附金属基底表面的方法，具体的电路连接结构图参见附图1。且本发明为了快速转变电场方向，而在电路中接入双刀双掷开关，当施加正电压时，液态金属在金属基底上润湿，从球状变为饼状，当施加负电压时，液态金属在金属基底上快速去润湿，从饼状恢复为球状(具体的润湿及去润湿现象示意图参见附图3)。其中，图3中从左到右依次为未施加电压时的初始状态、施加正电压时的润湿状态和施加负电压时的去润湿状态。
本发明另请求保护利用上述微纳米结构不锈钢多孔网组成的液态金属快速润湿性切换体系，并利用该体系进行液体输运的智能控制，具体方案如下：
一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿在液体输运领域中的应用。
涉及到一些具体应用场景，利用电场诱导液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网上的可逆润湿制成的阀门在液体渗透或光路控制中的应用。
具体实施方案如下：
将制备的微纳米结构多孔网用氯丁橡胶粘结在直径为8mm的玻璃管底部，并与电源相连，将液态金属液滴加到网上，注入NaOH溶液，另一电极***管内液体中，形成液体渗透控制阀。当液态金属从球状铺开为饼状时，管内液体不能流出，当液态金属从饼状恢复为球状时，管内液体流出，从而实现液体渗透控制(具体的液体在可控渗透器件中的开关渗透过程示意图参见附图4)。
这归因于液态金属在微纳米结构多孔网上实现了快速去润湿，与其他金属基底(如铜、铝)相比，不锈钢材质与液态金属接触界面没有发生溶解反应，即界面处的液态镓并未与不锈钢网形成合金，且微纳米结构不锈钢多孔网形成了低黏附表面，有利于加快液态金属去润湿。
经由上述技术方案可知，本发明公开的一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿及应用，与现有技术相比，具有如下优异特性：
(1)本发明通过电化学沉积方法制备了一种具有微纳米结构的金属多孔网表面，其制备方法简单、易操作，且成本低；
(2)本发明利用电场诱导液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网表面实现快速可逆润湿；
(3)本发明通过将电场诱导液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网上的可逆润湿性应用到可控液体渗透器件中，以实现灵活控制液体渗透。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明电路连接结构示意图。
图2为本发明微纳米结构不锈钢多孔网的SEM形貌图。
图3为电场诱导下的液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网上的润湿和去润湿现象及示意图。
图4为液体在可控渗透器件中的开关渗透过程示意图。
图5为微米结构和平滑结构的SEM形貌图。
图6为液态金属铺开面积与恢复时间随着电压变化关系图。其中，(a)为液态金属铺开面积随正电压变化关系图；(b)为液态金属恢复时间随负电压变化关系图。
图7为液态金属随网孔径渗透变化图。
图8为液态金属铺开面积与恢复时间随着NaOH溶液浓度变化关系图。其中，(a)为液态金属铺开面积随NaOH溶液浓度变化关系图；(b)为液态金属恢复时间随NaOH溶液浓度变化关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种电场诱导液态金属在微纳米结构多孔网金属基底上的可逆润湿以及利用由该基底组成的液态金属快速润湿性切换体系进行液体输运的智能控制。
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
一种微纳米结构不锈钢多孔网的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
将0.2～1g氟化铵加入烧杯中后，先用1～10mL蒸馏水溶解，再量取135～150mL的乙二醇加入烧杯，适当搅拌后即可全溶，得到电解质溶液；然后将两片洗干净的不锈钢网(孔径为30～2000μm)分别作为阴极和阳极***电解质溶液中；最后在35～45V电压下沉积反应30～50min，将阴极置于阴凉干燥处晾干，即可得到微纳米结构不锈钢多孔网；
具体的，将孔径为30μm、1000μm、2000μm的不锈钢网分别在25V、40V、60V电压下反应110min、50min、20min；均可得到微纳米结构不锈钢多孔网(如图2所示)。
一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，所述金属基底为上述制备的微纳米结构不锈钢多孔网，具体包括以下步骤：
如附图1所示，将上述基底置于NaOH溶液中并与电源相连，另一电极也置于NaOH溶液中且位于基底上方，将液态金属(镓基液态金属合金)置于基底上，另外，为了快速转变电场方向，在电路中接入双刀双掷开关，当施加正电压时，液态金属在基底上润湿，从球状变为饼状，当施加负电压时，液态金属快速去润湿，从饼状恢复为球状。
本发明还请求保护一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿在液体输运领域中的应用，具体为利用电场诱导液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网上的可逆润湿制成的阀门在液体渗透或光路控制中的应用，实施方案如下：
将制备的微纳米结构多孔网用氯丁橡胶粘结在直径为8mm的玻璃管底部，并与电源相连，将液态金属液滴加到网上，注入NaOH溶液，另一电极***管内液体中，形成液体渗透控制阀。当液态金属从球状铺开为饼状时，管内液体不能流出，当液态金属从饼状恢复为球状时，管内液体流出，从而实现液体渗透控制(具体的液体在可控渗透器件中的开关渗透过程示意图参见附图4)。
发明人还进行了如下实验，以对本发明公开的技术方案所达到的技术效果进行进一步的说明。
实验1：多孔网表面的结构对液态金属去润湿性影响的研究
通过电化学阴极沉积和阳极氧化，分别制备了微纳米结构和微米结构，同时将原始平滑结构作为对比(如图5所示)。在1mol/L NaOH溶液中，将微纳米结构、微米结构、平滑结构多孔网作为电极，0.2mL液态金属分别置于微纳米结构、微米结构、平滑结构多孔网上，另一电极位于液态金属正上方，先加正电压使液态金属润湿，后改为负电压，使液态金属去润湿，对液态金属恢复时间进行研究，如表1所示，
表1
可以发现液态金属在微纳米结构多孔网上恢复最快，这是由于多孔网表面沉积的微纳米颗粒形成了微纳米次级结构，构筑了有利于液态金属去润湿的低粘附表面。
实验2：电压对液态金属润湿和去润湿影响的研究
在1mol/LNaOH溶液中，将微纳米结构多孔网作为电极，0.2mL液态金属置于网上，另一电极位于液态金属正上方，在润湿过程中，改变提供的正电压，液态金属的铺开面积随之发生变化，通过对铺开面积及恢复时间研究可以发现(附图6)，随着电压增大，由于液态金属的表面张力降低，液态金属的铺开面积先增大后保持不变，说明液态金属实现了很好的润湿。在去润湿过程中，改变提供的负电压，液态金属的恢复时间也会随之变化，当施加的电压变为负电压时，随负电压减小，液态金属的表面张力增加，铺开的液态金属的恢复时间随之减小，这说明液态金属去润湿是快速的。
实验3：多孔网的孔径对液态金属渗透情况的研究
将液态金属置于不同孔径的多孔网上，加正电后通过对液态金属渗透性的研究(附图7)，可以发现，当网的孔径大于425μm，液态金属在多孔网上发生渗透；小于425μm时，液态金属在多孔网上不发生渗透。
实验4：NaOH溶液浓度对液态金属润湿和去润湿影响的研究
在NaOH溶液中，将微纳米结构多孔网作为电极，0.2mL液态金属置于网上，另一电极位于液态金属正上方，通过改变NaOH溶液的浓度(0.25～3.0mol/L)，对液态金属润湿和去润湿情况进行研究(如图8所示)，在润湿过程中，施加正电压，可以发现，NaOH溶液浓度越大，液态金属铺开面积越小，润湿效果越差；在去润湿过程中，施加负电压，NaOH溶液浓度越大，液态金属恢复时间越短，去润湿效果越好。润湿过程中由于高浓度的NaOH溶液加速了液态金属表面生成的氧化层的溶解速度，使得铺开面积变小，相应地导致去润湿过程中液态金属的恢复时间变短。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，具体包括如下步骤：
步骤一：在碱性溶液NaOH溶液中，将电源的两电极中一电极与金属基底连接，另一电极悬空位于所述金属基底的上方；
步骤二：在步骤一公开的电路连接结构中，将液态金属置于所述金属基底上，通过改变电场方向观察所述液态金属在所述金属基底上的润湿情况；
其中，所述金属基底为通过下述方法制备的微纳米结构不锈钢多孔网，具体包括如下步骤：
（1）配置电解质溶液：将预先用水初溶的氟化物与多元醇按照配比混合均匀，得到电解质溶液；
（2）制备微纳米结构多孔网：将两片干净的不锈钢网分别作为阴极和阳极***步骤（1）制备的电解质溶液中，沉积反应预定时间，随后将阴极干燥晾干，即得微纳米结构不锈钢多孔网。
2.根据权利要求1所述的一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，其特征在于，所述步骤（1）中，氟化物与水初溶的质量/体积配比关系为（0.2~1.0）g:（1~10）mL，且氟化物与多元醇混溶的质量/体积配比关系为（0.2~1.0）g:（135~150）mL。
3.根据权利要求1所述的一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，其特征在于，所述步骤（2）中，沉积反应电压为25~60V，沉积反应时间为20~110 min。
4.根据权利要求1所述的一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，其特征在于，所述NaOH溶液浓度为0.1~4 mol/L，且所述金属基底置于NaOH溶液中，及所述金属基底与所述电源电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法，其特征在于，在所述电源处于的电路中接入双刀双掷开关，以随时转变电场方向。
6.一种如权利要求1所述的电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿方法的应用，其特征在于，所述润湿在液体输运领域中的应用，还包括利用电场诱导液态金属在微纳米结构不锈钢多孔网上的可逆润湿制成的阀门在液体渗透或光路利用孔开闭开关控制中的应用。
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