液态金属的超常表面张力探究

表面张力也指垂直作用于液体表面单位长度上使之收缩的力，图4.3给出刻画液体表面张力F/L的示意［3］。表面张力在人们的生活中无处不在，雨后荷叶上一触即落的水珠、池塘中“健步如飞”的水黾，乃至水龙头下悬挂的水滴等都可以用表面张力的理论来解释。在常见液体中，水在常温下的表面张力数值约72.75 mN/m，算是表面张力较大的一种液体。而液态金属的表面张力则远远超过了这一数值，例如共晶镓铟合金的表面张力可达623.39 mN/m，将近水的9倍，镓铟锡合金的表面张力也可达608.39 mN/m。如此巨大的表面张力赋予了液态金属一系列独特的性质。

图4.3　表面张力示意［3］

液态金属最显著的性质即为可在大多数固体表面上保持不浸润状态。造成这一现象的主要原因为液态金属的表面张力过高，与大多数固体表面能不匹配，以致使得液态金属液滴在基底上的接触角较大，更倾向于以球形状态存在。此外，温度、液态金属种类对液态金属的表面张力也有一定的影响。随着温度的升高，液态金属表面张力减小，符合表面张力的变化规律。(www.xing528.com)

由图4.4可以看出，镓液滴上部有一个“尖角”，而非平常见到的圆滑球形液滴［4］。这是由液态金属表面在空气中被氧化而生成的银白色氧化物膜所致［5］。这层氧化膜对液态金属表面张力有很大的影响［6，7］。氧化膜的成分主要是镓的氧化物，厚度为几纳米，可以保护内部金属不被进一步氧化。这层薄薄的氧化膜具有很强的黏附性，可附着在大部分基底上，传统上曾一度认为液态金属可以浸润玻璃，但笔者实验室的工作证明，这其实是氧化膜在玻璃表面的残留物。氧化膜可与酸、碱等发生反应从而被去除，因此实验中常将液态金属浸没于一定浓度的NaOH溶液中，以确保其表面不被氧化。如此，即可以根据需要，调控液态金属氧化膜的有无，从而改变其形态、性质，以达到预期的应用目的。

图4.4　液态金属镓在玻璃表面的接触角［4］

液态金属作为新兴的热门材料，既具有液体良好的流动性，又具有金属优良的导电性、导热性。其表面张力的特殊性质使其在微机电系统、3D打印及药物递送等方面有着巨大的潜力［8］，研究液态金属的表面张力行为对于未来实现液态金属的随心所欲的定向变形有重要的意义，且在电子、国防及医疗等领域也极具价值。