液态金属微小马达自驱动下的布朗运动现象

自驱动的小马达在药物传输、检测、环境污染治理等方面有潜在应用。笔者实验室发现，液态金属在吞食铝之后能在碱性溶液中自发运动的基础现象。在此基础上的实验进一步发现，将含铝的液态金属分散成小液滴后，各自也能自发运动，这种运动液滴也可称为液态金属马达，其运动速度和方向显示出无规律性［7］。

将液态金属与铝箔事先按大约100∶1的质量比腐蚀溶解，而后将溶解完的液态金属用注射器注射入一个装有NaOH溶液的玻璃培养皿中，可形成了毫米级的小液滴。这些小液滴在短暂停顿一会之后开始迅速移动，速度达到4 cm/s左右，并在液滴尾部留下长长的气泡线。这些液滴在运动过程中互相碰撞、融合，最终又合并为一个大的自驱动液滴。

Yuan等［7］揭示了自驱动液态金属马达的宏观布朗运动现象，澄清了由内在动力驱动的碱性溶液中液态金属马达群的类布朗运动现象及其固液界面接触产氢机制，并指出其实际上提供了一种高效获取清洁能源氢气的简捷途径。

迄今，大部分关于布朗运动的研究均着重于微观的分子间作用，而鲜少有工作从宏观角度加以研究，且颗粒运动大多受周围液体分子无规运动撞击所致。该项研究发现［7］，加入铝的液态金属镓铟合金小马达在碱性水溶液中也呈现出类似布朗运动的无规则运动现象（图14.24）。不同于经典的布朗运动，这种随机运动行为的主要动力受马达自身铝原子与溶液作用产生的氢气泡驱动，而非由周围流体分子碰撞所致。并且，这一机制与大尺寸液态金属机器主要受电化学诱发表面张力驱动的原理不同。此外，该研究还设计了类似于威尔逊云室的光学对比试验平台，利用氢气与周围溶液对光的散射差异，清晰显示了液态金属马达运动过程中产生并留下的氢气流轨迹。这一研究丰富了经典布朗运动的内涵，具有重要的基础科学价值。

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图14.24　用注射器喷出的液态金属小马达在NaOH溶液中的类布朗运动与氢气泡运动轨迹［7］

液态金属马达自驱动运动现象的机理可由含铝液态金属与玻璃基底接触产氢机制来解释。如图14.25所示，一开始液态金属被注入溶液后，液滴与基底之间间隔着溶液层。随着重力的作用，液滴逐渐下降，把溶液挤出来从而与粗糙的基底表面接触。这些接触点诱发了小马达中的铝与碱性溶液反应，生成大量氢气，从而推动了液态金属小液滴的运动［7］。由于接触面的粗糙度不一，因此小马达的运动方向也显示出无规则性。这个现象非常类似于微观尺度下的布朗运动，不同的是，液滴马达尺寸远远大于微观粒子，且其自身拥有动力，因此我们命名该现象为液态金属小马达的宏观类布朗运动。

图14.25　液态金属马达所产生氢气流的运动轨迹图及驱动颗粒运动情形［7］

a—c.液态金属液滴在NaOH溶液中运动的显微图像；d.照相机拍摄图像，显示来自液滴底部的氢气泡；e.液态金属微型马达示意图。