液态金属在溶液中的电润湿行为

液态金属巨大的表面张力使得其很难润湿基底表面，这为它的应用带来了一定不便。如何能够在需要的时候快速降低液态金属的表面张力呢？在各种可能途径中，Yuan等研究发现［16］，电润湿方法是一种可以灵活发挥相应作用的措施。

电润湿是指通过外加电压使得置于基板上的液滴的润湿性发生变化［17］，通常是由不浸润变为浸润。电润湿现象最早由法国科学家Lippmann在做汞的相关实验时发现，将汞置于毛细管中对电解液施加电压时，可观察到管内汞液面有明显下降，这说明汞在通电后，表面张力产生了改变。电润湿的程度与所加电压和电介质的厚度有关，关系可由Young-Lippmann方程表达：

其中

这里，θ为通电后液滴与基底的接触角，θ0为通电前液滴与基底的接触角，c为介电层单位面积电容，V为外加电压，γ为液体表面张力。ε0、εd分别为真空介电常数及介质材料的相对介电常数，d为介电层厚度。

由公式（4.1）可以看出，介电层厚度越薄、所加电压越大，通电后液滴与基底的接触角也就越小。利用这一原理，可以对液态金属的表面张力实施调控（图4.7）。

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图4.7　溶液内液态金属电润湿控制过程［16］

Yuan等［16］采用电润湿的基本原理设计了液态金属在液体介质中的电润湿装置，采取钛板作为基底，在其上通过使用胶带“掩膜”的方式用PDMS制作出一个图案。将设计好的电极置于0.9%NaCl溶液中，在其表面滴上镓铟锡合金，通10 V电压，可观察到液态金属液滴由球形摊开，待其铺展完全后撤去电压，去除多余金属，可以大致得到所需的图案。进一步的系统性试验［16］揭示了浸没于NaOH溶液中的液态金属在电润湿效应作用下的形状动态变化规律（图4.8），此技术可发展成以液态金属为响应图案的显示器。

图4.8　浸没于NaOH溶液中的液态金属的电润湿效果［16］

a.电压1 V；b.电压2 V；c.电压3 V。

为什么在电场作用下溶液中液态金属的表面张力会发生变化呢？这可以用双电层理论来进行解释。当液态金属与介质溶液接触时，在金属溶液交界处会形成距离极近的一对电量相等、符号相反的电荷层，这就是所谓的双电层［16］。当给电润湿装置通电时，介质层的存在导致作为阴极的液态金属表面大量聚集了负电荷，而作为阳极的基板表面则聚集了大量的正电荷，液态金属表面同种电荷间强烈的斥力与金属基底间不同种电荷的吸引力共同作用于液态金属，使其铺展开来润湿基底表面。当撤去电压时，电荷分布恢复，液态金属又回到了原状。

液态金属的电润湿行为给控制液态金属的浸润性提供了一种很好的思路。