溶液中液态金属的磁场与电场耦合旋转效应

笔者实验室Wang和Liu发现［17］，利用外加磁场和电场，可控制液态金属液滴在电解溶液中离心运动，继而驱动周围流体运动。研究揭示，将液态金属和电解液置于加有磁场的同心圆环形电极之间，当电极通电时，液态金属将在洛伦兹力的驱动下作离心旋转运动（图7.24），电解液起到减小运动阻力的作用。这种装置可称之为液态金属电动机，它将电磁能转换为机械动能，在芯片冷却、液态金属泵、材料配置、柔性旋转机器等方面有重要的应用前景。

Wang和Liu设计的旨在控制液态金属小球旋转运动的电场磁场耦合系统，装配视图如图7.25所示。其中，一对同心圆环形石墨电极置于一个塑料培养皿中，培养皿的正下方是一个圆形永久磁铁，两极之间填充NaOH电解液，电解液中放入液态金属小球，磁铁表面的磁感应强度B呈圆对称分布，方向垂直于圆环电极的上表面。

图7.24　液态金属与电解液被外加磁场和电场联合驱动［17］

图7.25　同心圆环形电极和永久磁铁装置［17］

a.爆炸视图；b.侧面视图。(www.xing528.com)

Wang和Liu使用尺寸为D=30 mm，d=20 mm的电极研究了液态金属小球的可控性运动（D和d分别代表中间棒状电极的直径和外环形电极的内径），B垂直于圆环电极上表面，液态金属小球（质量为84.28 mg）没入两极之间的NaOH电解液。当电极通电时，即产生施加在小球和溶液上的洛伦兹力，根据左手定则判断其方向为逆时针，如图7.25所示。由于电解液的密度（1.045 g/cm3）远小于液态金属小球，因而它的运动速度较大，并给金属小球提供了推动力。

图7.26　D=30 mm，d=4 mm的同心圆环形电极之间的肾状体液态金属［17］

我们将两极之间的液态金属小球增加至同时接触两极壁面而形成一个肾状体［17］，在电极通电时观察到与前述金属小球不同的运动现象。实验装置如图7.26所示，1mL的NaOH溶液填充在两电极（D=30 mm，d=4 mm）之间。NaOH溶液为液态金属提供了一个推动力，并可以及时去除液态金属表面的氧化物，使之转变为GaOOH，降低了氧化层的强度。另外，在液态金属、石墨电极、培养皿底部之间形成界面滑动层，滑动层会大大减小液态金属的摩擦力，同时也避免了电极之间的短路现象。当电极通电时，液态金属受洛伦兹力的驱动而环绕中心电极转动，电流时间和电压时间测量曲线如图7.27所示，可以看出，正负极的电压几乎保持为常量（1.63 V），而电流则呈周期性变化。

图7.27　肾状体液态金属匀速圆周运动时的电压-时间和电流-时间关系曲线［17］

短划线曲线是对电流测量值的拟合。