交流电场诱发的液态金属共振流动现象

在恒定电场作用下，浸没在电解质溶液中的液态金属液滴会朝着一端电极单向移动。不难想象，在交流电场作用下，液态金属液滴将会在两电极之间来回运动，且其往复运动的频率应与电场频率保持一致。

Yang等的工作发现［13］，处于电解质溶液中的金属液滴在交变电场作用下会体现出非常规的往复运动规律。实验发现，在特定电场频率下，液滴自身运动出现了强烈的共振现象；同时，在交变电场作用下，电解质溶液的电解以及由此产生的氢气得以有效抑制。此种液态金属泵更能满足实际需要，且结构简单、功耗低，在电解质溶液乃至血液泵送、芯片冷却、流体混合等场合有重要用途。

图7.19　金属液滴在交变电场驱动作用下的往复运动情形［13］

图7.19展示了在电压为±5V、频率为0.55 Hz的交流电场作用下，浸没在0.5 mol/L NaOH溶液中直径为10 mm的GaIn10液滴的往复运动行为［13］。从图7.19可以看到，液滴的运动表现出很好的周期性，运动速度达到8～12 m/s，转向加速度高达67 cm/s2，也就是说具有很高的灵敏度。

理论分析表明，液态金属液滴振荡幅度的大小主要受到液滴大小、电场强度和频率以及电解质溶液浓度等的影响［13］，如图7.20所示。可以看到，液滴尺寸在10 mm左右时振荡幅度最大；振荡强度几乎与电场强度线性正相关，而与电场频率呈现负相关关系；增加溶液浓度可以显著提高振荡幅值，但是存在一个饱和极限。

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图7.20　振荡幅度的影响因素［13］

a.液滴大小；b.电场强度；c.电解质溶液浓度；d.电场频率。

实验发现，在特定的电场频率下，液态金属液滴将会展现出强烈的共振行为［13］。此时，液滴整体上几乎保持静止，但液滴表面却存在强烈的往复流动。利用高速摄像仪可以记录下这一共振行为，见图7.21a。通过对不同尺寸的液滴进行研究，我们发现共振频率会随着液滴尺寸的增加而减小。液态金属强烈的表面流动会对周围电解质溶液的流动产生影响，利用这一特点，可以开发出相应的应用器件。

图7.21　高频交流电场下液态金属的共振行为［13］

a.示意图；b.实物图；c.共振频率随液滴尺寸变化。