液态金属在电场作用下的溶液射流效应

笔者实验室Fang等［8］发现了一种独特的极低电压诱发的液态金属射流现象和电毛细效应，为金属微滴乃至固体颗粒的快速制备和精确操控打开了一条新途径。实验观察到，在无电压作用时，盛放于容器腔出口毛细管内的液态金属前沿会因表面张力和外界静压的作用而保持静态。一旦施加电场，浸没于NaOH溶液中的毛细管内液态金属会自动喷射而出形成微滴，仿佛喷泉一般，这些液滴在电场作用下朝着阳极方向快速移动，可控性强，到达阳极后形成“大珠小珠落玉盘”的景象（图7.13）。将持续生成的液滴冷却收集后，即可获得金属固体微粒，整个过程仅需极低电压（2～20 V）。电压越高，金属液滴生成率及移动速率越快。

图7.13　低电压电场诱导出的液态金属射流与微滴生成现象［8］(www.xing528.com)

系统的对比实验表明［8］，液态金属从喷射到液滴产生与运动包含三个关键流动相态。在喷射伊始，外界电压产生的电场力会打破液态金属界面的力学平衡，并使其沿电场方向发生变形和运动。当液态金属从毛细管喷射出来进入NaOH溶液时，由于自身的低黏、高表面张力与电场力相互作用，液态金属射流随即发生Plateau-Rayleigh不稳定现象，撕裂离散成粒径均一的液滴。金属液滴在电场作用下易于形成电双层，液滴自身的高导电性会使其界面切向电场力消失，而电双层内的切向电场力必须通过金属液滴运动产生的剪切应力来实现力学平衡，由此诱导了液滴运动方向与电场方向保持一致。

在上述过程中，外界电场力是促成液态金属液滴喷射和运动的主要动力来源，而NaOH溶液则有效及时地消除了界面电化学反应生成的金属氧化物。值得指出的是，传统的胶体或金属颗粒电泳现象需要上千伏电压驱动，这里的金属液滴快速运动只需数伏电压即可，其本质原因正在于液态金属优良的导电性和流动性。此前，电压诱导的液态金属喷射现象从未被报道过，这种微滴生成与运动效应无需复杂设备，能耗极低，操控极为简便快捷，十分有利于应用。

此效应，除了在快速制备金属液滴方面的独特价值外，也引申出十分丰富有趣的物理学图景，为今后探索室温液态金属独特的流体力学行为指出了新的方向。