液态金属表面张力的影响因素分析

对于具有自由液面的液体而言，处于表面层的分子与处于液体内部的分子受力情况不同，如图4.5所示。在液体内部，分子所受的力互相平衡，相互抵消。而在液体表面层中的分子，受到气相和液相的力不相同，由于液体内部对表面层分子的吸引力远大于上层气体对其的吸引力，因此表面层分子有被拉向液体内部的趋势，表面张力即是在液体表面引起液体收缩的力［9］。从能量的角度来看，若将液体从内部移动到表面层需要施加功，因此表面层的能量高于液相的能量。而任何系统都是能量越低越稳定，因此表面层的分子有尽量进入内部的趋势，即液面有收缩趋势，宏观上就表现为液体的表面张力。

图4.5　表面张力形成机理

常温液态金属的表面张力都很大，常温条件下，特定组分的镓铟合金的表面张力可达700 mN/m，汞的表面张力约为483 mN/m。在如此大的表面张力作用下，液态金属通常都呈球形，如图4.6所示。当液滴尺寸增大时，在重力的情况下会成为扁平状。液态金属的表面张力受很多因素的影响，其中最主要的是温度和氧含量。一般而言，纯金属的表面张力随温度升高而下降，例如镓［10］、铟［11］、汞［12］等。这是因为温度升高，金属内部作用力减弱。对镓基液态金属而言，氧含量是一个很重要的影响因素，因为镓基液态金属非常容易形成一层氧化物，即使是在氧含量极度低的情况下也是如此［13，14］。而氧化后表面张力明显降低，一般随着氧含量升高，表面张力单调递减，直到液态金属表面形成完全覆盖的一层稳定的氧化膜后，表面张力不再随氧含量发生变化［15］。(www.xing528.com)

图4.6　常温金属液滴外表形态

原则上，任何可以改变液态金属及其所处溶液环境的外界因素，均可用于调控液态金属的表明张力，继而设计相应的应用。比如，电、磁、声、光、热、化学、机械等手段均可采用，而且这些手段还可相互结合同时作用［8，16］。此外，液态金属与基底、溶液种类等也可根据需要予以选择。可以看到，液态金属表面张力的调控是一个十分丰富的研究领域。以下仅给出个别案例，便于读者了解并展开。