石墨基底表面液态金属振荡现象引发

笔者实验室Wang和Liu发现［18］，在NaOH溶液中，当把一个液态金属小球靠近石墨放置时，小球会出现周期性振荡行为。可以看到，溶液中的液态金属小球通常近似为球形，当其与石墨接触时，处于电解液中的石墨和液态金属组成一个原电池，导致液态金属表面张力变小，这会使得金属小球的相对高度逐渐减小，当小球离开石墨后，自身的表面张力得以复原，因此又重新变为球形。这里，表面张力是液态金属小球振荡运动的回复力。

图5.14　石墨触发的液态金属动态响应行为［18］(www.xing528.com)

a.浸没于NaOH溶液中的液态金属接触石墨时的变形示意图；b.液态金属与石墨接触点处曲率的相对变化，符号R代表接触点的曲率半径（顶视），R0为最小值。●虚线代表变形前液态金属的轮廓，■虚线代表变形后液态金属的轮廓。

图5.14a展示了在NaOH溶液中接触石墨的液态金属小球的变形（图5.14a1、a3、a5）和对应的实物图（图5.14a2、a4、a6）。图5.14a1是小球的水平受力示意［18］，当小球接触到石墨时，受到方向向右的电毛细力Fs和指向石墨的摩擦力Ff，Fs由表面张力梯度所引起，摩擦力Ff为小球与NaOH溶液之间的黏性力和小球与基底之间的摩擦力，Fs＞Ff是推动小球离开石墨并振荡的必要条件，见图5.14a1和a3。假定r为石墨与液态金属接触点P处的曲率半径，当左半球的表面张力大于右半球时，小球内部金属液体将向右流动，其结果是，P附近小球表面的压力导致r的变小。质量分别为0.7 g和1.2 g的小球上P点处的相对曲率半径变化曲线显示在图5.14b中，虚线表示小球离开石墨的时刻。由图可见，离开的时刻对应于曲率半径的最小值，对0.7 g的小球来说，曲率半径的最大值与最小值的比值为1.30，见图5.14a1和a2，而对1.2 g的小球来说，这一比值为2.36，见图5.14a3和a4。这表明液态金属小球的质量越大，变形越严重，对1.2 g小球来说，变形最严重时成了瓜子状。当Fs＜Ff时，作用在液态金属小球上的电毛细力太小，不能把它推离石墨，小球将伸长为蠕虫状的圆柱体，并且不再有振荡现象，见图5.14a5和a6。

若把两个液态金属小球分别放在石墨上和靠在石墨一侧，将会发生有趣的共振现象［18］。把石墨上部的小球记为LM1，它的质量为0.2 g，石墨一侧的小球标记为LM2，它的质量为1.0g。图5.15a和b分别是两个小球共振的示意图和实物图，当LM2接触石墨时，小球高度减小而LM1的高度增加，而当LM2离开石墨时，小球高度增加而LM1的高度减小。这一规律显示在图5.15c中，LM1的波峰与LM2的波谷相对应，我们把这一时刻以虚线标记，在此时刻意味着LM2离开石墨。以Vgl1和Vgl2分别代表石墨/LM1和石墨/LM2原电池的电势差，当LM2未与石墨接触时，形成了由LM1、石墨和电解液等效电阻R1构成的回路CL1，加在LM1两端的电压为Vgl1，方向朝下，正是Vgl1导致了LM1的铺展。当LM2接触石墨时，形成由LM1、LM2、石墨和电解液等效电阻R2构成的回路CL2，加在LM2两端的电压为Vgl1+Vgl2，方向朝左，正是这一电压导致了LM2的铺展。而此时LM1两端电压大小为Vgl1-Vgl2，小于Vgl1，因此LM1得以恢复球形。