金属微颗粒在溶液中引发的液态金属跳跃现象

笔者实验室Tang等［16］发现了一类有趣的液态金属跳跃行为：向放有金属液滴的溶液体系中加入固体金属颗粒（镍、铁等）后，原本静止的金属液滴开始跳动起来，并在容器底留下一串饼状“脚印”。

首先镓铟合金用注射器注入水中。由于表面张力的作用，从针尖快速挤出的液态金属会形成一系列微米尺度的液态金属小液滴。实验前需要将金属镍粉（或铁粉）与去离子水混合制成悬浮液待用。然后用移液器将金属液滴移入NaOH溶液中，随后滴入几滴镍粉悬浮液，观察现象。

当加入的镍粉与液态金属液滴发生点接触后，液态金属溶液体系的平衡被打破，显微镜下的液态金属液滴在一小段时间后变得“活跃”起来。首先观察到的是一系列微小的气泡不断产生并沿着液滴表面不断升入溶液上方。随后，原本静止的液滴开始在铺满镍粉的容器地面上间歇性跳跃起来。更有趣的是，每当液滴从一个位置跳跃到另一个位置时，都会留下一个“脚印”［16］。液体的间歇性跳跃通常会经历一个先加快、后减弱的过程。经过一段时间后，随着气泡产生速度的明显变慢，液态金属液滴也最终停止下来。而容器底面上则留下了一串液态金属跳跃所经过的“脚印”，如图14.37所示。

研究揭示，金属颗粒与液态金属表面发生点接触时，交界面处电场强度显著增强，以至会在溶液内电解产氢，氢气泡在基底不断吸附长大形成“气体弹簧”［16］，这就为液滴跳跃提供了推力。导致电场极化的因素之一来自液态金属与固体金属颗粒之间的电势差即原电池效应（图14.38）。另一原因则在于，固液材料界面微观形貌差异会导致电荷累积，继而引发尖端放电效应。

图14.37　NaOH溶液中的液态金属液滴在镍粉的触发下发生间歇性跳跃［16］(www.xing528.com)

a—d.俯视图；e—h.侧视图。

图14.38　金属液滴与固体金属颗粒发生点接触后界面电场出现极化［16］

a—d.原理分析图；e—h.实物图。

这一现象背后更深层次的原因来源于液态金属/溶液界面处双电层结构的改变和电场的极化。固体金属颗粒与液态金属表面发生点接触后，接触部位的电场强度明显增强，以至于溶液发生电解产生氢气。进一步研究分析表明，导致电场极化的效应之一是由于液态金属与固体金属颗粒两种材料本质的不同而带来的电势差异，体现为原电池效应；促使反应发生的另一种原因则是因两种材料由于状态不同（固液）而存在的表面微观形貌差异所导致的电荷累积，体现为尖端效应［16］。值得指出的是，该跳跃现象的产生还与气泡与基底的作用，气泡与液态金属液滴表面的作用以及固体金属颗粒在液滴表面的吸附等界面作用有密切联系。