科學家提出基於液態金屬小球的放電現象可視化方案，為開發液態金屬賦能的智能材料體系提供新平台

近日，來自澳州新南威爾斯大學的一支科研團隊和合作者，提出一種基於液態金屬小球的放電現象可視化方案，為開發液態金屬智能材料和開發液態金屬賦能的智能體系提供了新平台。

研究中，利用粉末材料對於液態金屬經過自然氧化後表面的良好附著性，課題組在液態镓銦合金（EGaIn，eutectic gallium indium）液滴上包裹一層銅摻雜的硫化鋅螢光顆粒，借此形成一種液態金屬小球。

當相鄰液態金屬小球之間存在足夠大的電壓時，會同時產生氣體放電現象和電致發光效應，從而構成一個發藍光的「像素」。

通過對液態金屬小球進行一維或二維的陣列式排布，課題組使用離散化和像素化的設計方案，實現了放電路徑在不同陣列中的可視化。

在可控放電效應的幫助之下，研究人員還設計了不同種類的液態金屬小球陣列邏輯運算門，實現了以光為輸出信號的邏輯運算。

此外，他們還將液態金屬小球封裝在柔性基體中，構建出一種能夠調控放電發光過程的體系，展示了其在柔性器件和智能傳感器等應用中的潛力。

同時，本次成果在個性化可重構顯示技術中也具有一定的應用前景。

目前，課題組正致力於將該方案用於柔性體系、以及用於集成性更高的功能系統之中。

從「天空撕裂者」說起

此前，包含該團隊在內的課題組已經開始使用這類內部為液態金屬、外部為功能半導體顆粒的核殼結構來作為新型傳感材料去製作氣體傳感器件。

這類傳感器的核心部分是一層層自發堆疊的液態金屬小球陣列。在製作傳感器時，該團隊發現雖然使用的是同樣的方法，但是不同器件的氣體檢測效果可能天差地別。

課題組一直懷疑這是器件中納米液態金屬小球間的接觸狀況差異引起的，但是一直未能通過實驗進行驗證。

雖然人們能夠通過儀表檢測、或電路部件的開或關來判斷電路中有無電流通過，然而對具有複雜導電網絡系統中電流的檢測和可視化卻非常困難。因此，該團隊也一直在尋找真正可行的可視化方案。

後來，自然界中的放電現象給了他們靈感。閃電，是大氣中帶電雲層擊穿空氣而發生的大規模放電現象，其產生電壓可高達上億伏特，瞬時電流能夠到達或超過上萬安培。

經過長久以來對這種神秘、耀眼、稍縱即逝的「天空撕裂者」的不斷求索，人類對閃電和放電現象的認知經歷了從望而生畏、到科學理解、再到試圖駕馭的過渡。

例如，特斯拉線圈的發明使得「人工閃電」的產生成為可能。順著這條思路，科學家們一步一步地構思和試驗摸索，最終實現了在實驗室中製造「閃電」並對其路徑進行了有效調控。

需要指出的是，當體系中某一條路徑或多條路徑產生放電現象時，電壓作用有可能在短時間內改變液態金屬的表面張力，從而使液滴產生細微的局部形狀的往複變化。

這一往複變化有可能使得下一次放電時該路徑的放電阻力發生變化，從而影響整個陣列中放電路徑的選擇。

在此效應之下，當前體系的放電路徑呈現出高度動態的特徵，這也是使用剛性金屬陣列難以實現的效應。

而這一特性也使得該課題組將當前方案用於研究其他複雜體系動態過程成為可能。

對於複雜體系的電流傳遞過程來說，它包含著材料性質、接觸條件、以及氣體環境等關鍵信息，因此對其進行動態監測和理解非常重要。

於是在本次研究中，他們將上述策略用於模擬導電陣列中「缺陷」的影響、模擬可視化顆粒體系、模擬柔性材料、以及模擬其他動態體系中的導電網絡等。

借此為構建智能響應材料、構建可視化體系、以及構建傳感檢測體系，提供了一種基於放電效應的新思路。

該團隊表示，在實驗室中製造路徑可控的「閃電」，看似簡單實則不易。其中一項挑戰便是如何使液態金屬小球陣列中眾多小球間的距離保持一致。

這首先需要液態金屬小球的尺寸必須得到足夠精確的控制。研究中，液態金屬小球是通過注射泵擠出的方式來得到液滴，再將液滴在硫化鋅顆粒上滾動形成均勻緊密的顆粒包裹層打造而來。

這與人們在做湯圓時，會在搓好的湯圓上裹一層粉具有異曲同工之處。

實驗中，他們曾嘗試過多種顆粒尺寸，而所有這些比芝麻綠豆還小的液態金屬「湯圓」都是論文第一作者俞若涵採取半手工方式完成的。

俞若涵曾自嘲說，這個項目在無形中把她培養成了一個出色的湯圓師傅。

此外，每次改動液態金屬小球的大小，放置小球陣列的基座，也需要進行設計調整。

同時，如何用高速攝像機成千上萬次捕捉稍縱即逝的放電過程，既是技術活又是體力活。

另一項挑戰是當前實驗體系核心驅動部件——電壓發生器的選用。考慮到普適性，該團隊的大部分實驗都設計在空氣環境下進行。

根據 Paschen 定律，空氣的高介電常數決定了在空氣介質產生放電需要較高的擊穿電壓。

不管是從實驗成本、還是體系複雜度和安全性來說，幾千伏特電壓設備的使用都是他們想極力避免的。

這時，小時候玩過打火機電火花打火器的經歷讓研究人員靈光一現並想到：能不能用它來作為電壓發生器呢？

在進行嘗試之後，他們得到了肯定的結果。這種看似不起眼的壓電陶瓷點火器，實際上能夠瞬時產生數千伏的電壓脈衝，很好地滿足了實驗需求。

後來，在構建液態金屬小球陣列時，他們採取一種「像素化」的放電路徑顯示模式。

得益於液態金屬良好的導電特性，放電過程中液態金屬小球的植入不會造成電壓降低，因此電壓降低主要發生在小球之間的空氣間隙處。

也就是說這種像素化的可視化方案，能在不增加驅動電壓的前提下，顯著地增大可視化的放電距離。至此，本次課題也迎來了勝利的曙光。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

新南威爾斯大學博士生俞若涵是第一作者，新南威爾斯大學的 Guangzhao Mao 教授和湯劍波教授、以及澳州雪梨大學的庫羅什·卡蘭塔爾-紮德（Kourosh Kalantar-Zadeh）教授擔任共同通訊作者。

通訊作者即將於今秋回國任教

談及液態金屬小球的陣列穩定性，研究人員表示液態金屬小球由镓銦合金和表層覆蓋的銅摻雜硫化鋅顆粒組成。在空氣中，液態镓銦合金錶面會自發形成一層納米厚度的自限性氧化膜。

這層薄薄的氧化膜使硫化鋅顆粒能夠緊密而牢固地附著在其表面，形成一層顆粒物「鎧甲」，確保小球在實驗製備和放電等過程中保持穩定。

那麼，其穩定性能是否與直徑有關？課題組表示液態金屬小球直徑很關鍵。

在本研究中，為了製備尺寸和形狀一致的液態金屬小球，他們將液態金屬液滴的直徑定為 1.5mm。

這是因為實驗所用镓銦合金液態金屬的毛細長度約為 3.2mm，小於此毛細長度的液滴會自發形成接近球形的形狀，其在轉移、排列、放電等操作過程中不會發生坍塌和明顯變形。

這樣一來，液態金屬彈珠陣列中眾多小球之間能夠保持穩定且一致的間距，同時這對於放電路徑的調控也尤為重要。

那麼，其他發光材料是否也具有類似效果？該團隊表示此次研究使用的是發藍光的銅摻雜硫化鋅顆粒。其他電致發光材料原則上也可以作為螢光材料來調節可視化效果，但前提條件是要確保其顆粒能夠穩定附著在液態金屬表面。

目前，研究人員正在基於這項工作開發液態金屬智能材料和液態金屬賦能的智能系統。在致力於智能化設計的同時，也將向著柔性化和集成化方向努力。

此外，湯劍波將於 2024 年 10 月回國加盟西湖大學工學院擔任助理教授（特聘研究員），目前正在招聘博士生、博士後以及科研助理數名，感興趣可訪問鏈接 https://www.westlake.edu.cn/faculty/jianbo-tang.html

1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408933、

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