液态金属触发呼吸获能效应的研究

液态金属与常见的高熔点金属不同，在较低的温度甚至室温下即可呈现液态形式。这种金属液体能够以注射方法形成圆润的小液滴。然而，由于镓基液态金属在空气中容易形成氧化层，导致流动性较差，因此目前大部分的研究都是将液态金属置于酸性或碱性溶液中，以此来削减液态金属的氧化层结构，同时增加其表面张力，提升金属的流动性。

液态金属在空气中易于氧化，生成的氧化物可通过某些溶液去除。若对此过程充分利用，可以实现有趣的液态金属运动行为。在持续的实验中，Yi等偶然发现［1］，将镓铟合金液态金属液滴置于玻璃培养皿中，在逐渐滴加NaOH溶液的过程中，液态金属暴露于空气部分的周围液面居然发生了有规律的周期振动，仿佛是液态金属在进行有节奏的呼吸一样。

在题为“制造液态金属搏动心脏的呼吸获能机制”的论文中［1］，实验揭示出，当把金属液滴部分浸没于碱性溶液、部分暴露于空气中时，处于液态金属与空气交界面的溶液会自发出现周期振荡现象，这种规律性的振荡从四周向中心再到四周，如此循环往复不已（图5.1），其表现如同液态金属通过深呼吸动作来实现心脏搏动一般。值得关注的是，整个过程的发生和持续无需额外的能源供给与外界激励，并没有施加电场、磁场等额外的能源供给，这种系统能够轻而易举地实现自驱动振荡，仿佛动物的心脏甚至实验室培养出的自行搏动的心肌组织。此项发现为液态金属自振荡马达的实现提供了基础。

图5.1　类似于生物体呼吸获能行为的金属液滴自发搏动现象［1］

a.半浸没液态金属液滴导致周围溶液周期性振荡；b.一个振荡周期内的直径时间关系图；c.多个振荡周期内的直径时间关系图。

该自振系统十分简单，只需在常温下将液态金属置于碱性溶液中即可实现，这与著名的汞心脏效应中须借助两类金属与溶液发生化学反应来产生搏动的机制不同。造成这一现象的原因是空气、液态金属、溶液三相线处的表面张力存在梯度导致了流动。把示踪粒子加入该系统的碱性溶液中，通过显微镜能够发现［1］，示踪的荧光微球能够随着液面的流动而周期往复地向液态金属中心聚集和远离（图5.2）。另外，通过侧面的观察，可以发现该振动主要是由液面的振动，而非液态金属的跳动所引起。(www.xing528.com)

图5.2　自发搏动的金属液滴周围的溶液运动行为［1］

a.时间叠加图像；b.相邻标记区间的相对位移；c.示踪荧光微球。

上述现象和著名的“酒泪”现象源于同一种原因——Marangoni效应。当液态金属球一半处于液面下，另一半暴露于空气中时，就造成了在空气一碱性溶液一液态金属三相线处碱性溶液受力的差异（图5.3），而造成这种不同的机制在于：液态金属氧化层的分布以及沿着液态金属表面离子浓度的梯度导致了液态金属在这两种环境下的表面张力出现不同。众所周知，表面张力的差异会导致流体的定向运动［1］。在液态金属、碱性溶液双流体并存的情况下，界面周围条件的差异，很容易引起Marangoni效应的发生。液态金属的这种运动形式因其特殊构造产生了有趣的搏动行为。目前，基于液态金属材料Marangoni效应的探索甚少，未来可以开展更多相关研究，开发更多的应用。

图5.3　液态金属处于不同溶液介质［1］

a.液态金属在水、NaCl溶液、NaOH溶液中的行为比较；b.底视图和侧视图；c.力学分析示意图。