液态金属在电磁场驱动下表面出现褶皱波

笔者实验室Wang和Liu实验中发现［18］，处于液体中的液态金属，在电磁场联合作用下其表面会出现有趣的对称性褶皱波。实验中，可采用镓铟锡共晶合金（质量比例为：镓68.5%，铟21.5%，锡10%，其熔点为11℃），将其浸没在1 mol/L的NaOH电解液中，以去除液态金属表面的氧化物，减小摩擦阻力。液态金属和电解液均置于一对双环形石墨电极之间，在电极的下面是一块永久磁铁，整个装置的纵剖面如图7.28所示。在电极之间通电时，会出现如图7.28b、c、d所示的液态金属形状图案。

图7.28液态金属的对称褶皱波［18］

a.实验装置和通电时液态金属的表面电荷分布，虚线表示液态金属在无电时的状态；b和c分别是在内外电极的极间电压为1.7V，时间分别为t=0s和t=0.04 s时的液态金属表面状态；d.内外电极的极间电压为-18.78 V时液态金属的表面状态。

我们拍下了在实验中所产生的几种液态金属图案并显示在图7.29中，还给出了对应的图案结构［18］。图7.29a为表面致密褶皱的环形液态金属，形似折扇。图7.29b液态金属被撕裂成了20等份，像玉米的横截面。该环形液态金属也可以被分为5等份、4等份、3等份，分别如图7.29c、d、e所示。另外，液态金属还可以分成两个同心环形，图7.29f的内环如细线一般。图7.29g的两个圆环表面都是细密的褶皱。图7.29h的内环则为三角形。以上所有图案都是对称的形状，类似于Rayleigh-Bénard对流中的六边形斑图。(www.xing528.com)

图7.29　处于环形电极之间的液态金属形成的几种典型对称图案［18］

a.具有致密表面褶皱的环形；b.分为20等份的环形；c.分为5等份的环形；d.分为4等份的环形；e.分为3等份的环形；f.内环细如线的双环形；g具有致密表面褶皱的双环形；h.中间为三角形的双环形。每幅图的上半部分为实物图，下半部分为该斑图的结构示意。

与传统流体（如水）相比，液态金属具有较高的电导率和表面张力，当它处于电解液中时，表面张力的大小会因外加电场而发生改变，这正是上述液态金属形状图案出现的直接原因，这种独特的现象有助于推动金属流体力学的发展。