فراکتال های فلزی مایع ولتاژ محور

محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی دریافته‌اند که گالیم ایندیم (EGaIn)، یک فلز مایع با یکی از بالاترین کشش‌های سطحی، می‌تواند با اعمال ولتاژ پایین، القا شود تا گسترش یابد و الگوهایی به نام فراکتال‌ها را تشکیل دهد. این کار پیامدهایی برای کنترل شکل فلزات مایع دارد.

کشش سطحی نیرویی است که توسط سطح یک مایع وارد می‌شود و باعث می‌شود که آن را به صورت دانه‌بندی یا قطرات تشکیل دهد. به عنوان مثال، آب کشش سطحی بالایی دارد، بنابراین دانه های آن بالا می رود، در حالی که الکل، با کشش سطحی پایین تر، تمایل به پخش شدن دارد. فلزات مایع، مانند جیوه، کشش سطحی بسیار زیادی دارند و بنابراین تقریبا همیشه کروی هستند. در واقع، EGaIn بالاترین کشش سطحی را در بین هر مایع شناخته شده در دمای اتاق دارد.

در یک یافته شگفت‌انگیز، کارن دانیلز، پروفسور فیزیک ایالت NC و پروفسور مهندسی شیمی و بیومولکولی، مایکل دیکی، کشف کردند که اعمال ولتاژ پایین به سطح EGaIn باعث می‌شود فلز مایع پخش شود و الگوهای فراکتالی شبیه دانه‌های برف ایجاد شود.

دیکی می گوید: اعمال ولتاژ به EGaIn یک لایه نازک از اکسید را روی سطح فلز تشکیل می دهد که به طور موثر کشش سطحی را کاهش می دهد."به طور معمول، کشش مایعات را می توان با افزودن سورفکتانت ها - مانند قرار دادن صابون یا مواد شوینده در آب - به مایع کاهش داد. گذاشتن صابون در آب آسان است، اما بیرون آوردن صابون سخت است. در مقابل، استفاده از ولتاژ برای کنترل کشش جالب است زیرا برگشت پذیر و فوق العاده موثر است.

دانیلز می‌گوید: «ما همچنین متوجه شدیم که اگر مقادیر بیشتری ولتاژ به فلز اعمال کنید، پخش شدن آن متوقف می‌شود و دوباره منقبض می‌شود."این به دلیل مقدار اکسید تولید شده است - مقدار کمی کشش سطحی را کاهش می دهد، اما بیش از حد روی فلز یک پوسته ایجاد می کند و از پخش شدن آن جلوگیری می کند. بنابراین کنترل ولتاژ راه خوبی برای کنترل پخش شدن فلز است.

محققان رفتار فلز را با کاهش کشش سطحی ثبت کردند. کمتر از یک ولت الکتریسیته باعث پخش شدن فلز و تشکیل فراکتال ها یا الگوهای مختلف می شود. جالب توجه است، فراکتال های تشکیل شده توسط EGaIn منحصر به فرد به نظر می رسد. یعنی با هیچ فراکتال توصیف شده فعلی مطابقت ندارند. دانیلز می گوید: «علاوه بر غیرعادی بودن، مفهوم دیگر این فراکتال ها این است که برای اینکه کشش سطحی فلز مایع را تشکیل دهند باید نزدیک به صفر باشد.

دیکی می گوید: "این کار نشان می دهد که نه تنها تشکیل اکسید تنش سطح فلز مایع را کاهش می دهد ، بلکه این باعث می شود که تنش های فشاری - برعکس تنش - ایجاد کند که به این فلز کمک می کند. وی گفت: "این جالب است زیرا مایعات همیشه تحت فشار قرار دارند و ما اکنون ابزاری برای اعمال نیروهای فشاری به طور مستقیم روی سطح یک مایع داریم. این خصوصیات کنترل بیشتری بر رفتار فلز به ما می دهد. "

این کار در نامه های بررسی فیزیکی ظاهر می شود و توسط بنیاد ملی علوم (کمک های مالی DMR-1608097 و CMMI-0954321) و آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی تأمین می شود. دانیلز نویسنده مسئول است. دانشجوی فارغ التحصیل کالین اوکر و دانشجویان کارشناسی ارشد دیوید هایت و جان اوراگان در این کار نقش داشتند.

توجه به ویراستاران: چکیده ای از مقاله به شرح زیر است.

"انگشت واسطه اکسیداسیون در فلزات مایع"

doi: 10. 1103/physrevlett. 119. 174502

نویسندگان: کالین اوکر ، دیوید هایت ، جان اوراگان ، مایکل دیکی و کارن دانیلز ، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی منتشر شده: نامه های بررسی فیزیکی

چکیده: ما کلاس جدیدی از ناپایداری های انگشت را در فلزات مایع شناسایی و توصیف می کنیم. این بی ثباتی ها به دلیل تنش بین سطحی بزرگ فلزات غیر منتظره هستند. اکسیداسیون الکتروشیمیایی تنش بین سطحی مؤثر یک آلیاژ فلزی مایع مبتنی بر گالیم را به مقادیر نزدیک به صفر کاهش می دهد ، در نتیجه باعث ایجاد تغییرات شکل شدید از جمله تشکیل فراکتال ها می شود. ابعاد فراکتال اندازه گیری شده (D = 1: 3_0: 05) بی ثباتی را در یک کلاس جهانی متفاوت از سایر ناپایداری های انگشت قرار می دهد. با توصیف تغییرات در مورفولوژی و پویایی به عنوان تابعی از حجم قطرات و پتانسیل الکتریکی کاربردی ، ما سه نیروی اصلی درگیر در این فرآیند را شناسایی می کنیم: تنش بین سطحی ، گرانش و استرس اکسیداتیو. نکته مهم ، ما می دانیم که اکسیداسیون الکتروشیمیایی می تواند نیروهای بین سطحی فشاری ایجاد کند که مخالف نیروهای کششی در یک رابط مایع هستند. بنابراین ، لایه اکسید سطح نه تنها باعث ناپایداری ها می شود ، بلکه در نهایت یک سد فیزیکی و الکتروشیمیایی را فراهم می کند که ناپایداری ها را در پتانسیل های مثبت بزرگتر متوقف می کند. کنترل رقابت بین تنش بین سطحی و فشارهای اکسیداتیو (فشاری) در رابط برای توسعه دستگاههای الکترونیکی ، الکترومغناطیسی و نوری قابل تنظیم است که از خصوصیات فلزی فلزات مایع استفاده می کنند.