科学家提出基于液态金属小球的放电现象可视化方案为开发液态金属赋能的智能材料体系提供新平台

　　提出一种基于液态金属小球的放电现象可视化方案，为开发液态金属智能材料和开发液态金属赋能的智能体系提供了新平台。

　　研究中，利用粉末材料对于液态金属经过自然氧化后表面的良好附着性，课题组在液态镓铟合金（EGaIn，eutectic gallium indium）液滴上包裹一层铜掺杂的硫化锌荧光颗粒，借此形成一种液态金属小球。

　　当相邻液态金属小球之间有足够大的电压时，会同时产生气体放电现象和电致发光效应，从而构成一个发蓝光的“像素”。

　　通过对液态金属小球进行一维或二维的阵列式排布，课题组使用离散化和像素化的设计的具体方案，实现了放电路径在不同阵列中的可视化。

　　在可控放电效应的帮助之下，研究人员还设计了不一样的种类的液态金属小球阵列逻辑运算门，实现了以光为输出信号的逻辑运算。

　　此外，他们还将液态金属小球封装在柔性基体中，构建出一种能够调控放电发光过程的体系，展示了其在柔性器件和智能传感器等应用中的潜力。

　　目前，课题组正致力于将该方案用于柔性体系、以及用于集成性更高的功能系统之中。

　　此前，包含该团队在内的课题组慢慢的开始使用这类内部为液态金属、外部为功能半导体颗粒的核壳结构来作为新型传感材料去制作气体传感器件。

　　这类传感器的核心部分是一层层自发堆叠的液态金属小球阵列。在制作传感器时，该团队发现虽然使用的是同样的方法，但是不同器件的气体检测效果可能天差地别。

　　课题组一直怀疑这是器件中纳米液态金属小球间的接触状况差异引起的，但是一直未能通过实验进行验证。

　　虽然人们能通过仪表检测、或电路部件的开或关来判断电路中有无电流通过，然而对具有复杂导电网络系统中电流的检测和可视化却十分艰难。因此，该团队也一直在寻找真正可行的可视化方案。

　　后来，自然界中的放电现象给了他们灵感。闪电，是大气中带电云层击穿空气而发生的大规模放电现象，其产生电压可高达上亿伏特，瞬时电流能到达或超过上万安培。

　　经过长久以来对这种神秘、耀眼、稍纵即逝的“天空撕裂者”的不断求索，人类对闪电和放电现象的认知经历了从望而生畏、到科学理解、再到试图驾驭的过渡。

　　例如，特斯拉线圈的发明使得“人工闪电”的产生成为可能。顺着这条思路，科学家们一步一步地构思和试验摸索，最终实现了在实验室中制造“闪电”并对其路径进行了有效调控。

　　需要指出的是，当体系中某一条路径或多条路径产生放电现象时，电压作用有可能是在短时间内改变液态金属的表面张力，从而使液滴产生细微的局部形状的往复变化。

　　这一往复变化有可能使得下一次放电时该路径的放电阻力发生明显的变化，进而影响整个阵列中放电路径的选择。

　　在此效应之下，当前体系的放电路径呈现出高度动态的特征，这也是使用刚性金属阵列难以实现的效应。

　　而这一特性也使得该课题组将当前方案用于研究其他复杂体系动态过程成为可能。

　　对于复杂体系的电流传递过程来说，它包含着材料性质、接触条件、以及气体环境等关键信息，因此对其进行动态监测和理解非常重要。

　　于是在本次研究中，他们将上述策略用于模拟导电阵列中“缺陷”的影响、模拟可视化颗粒体系、模拟柔性材料、以及模拟其他动态体系中的导电网络等。

　　借此为构建智能响应材料、构建可视化体系、以及构建传感检测体系，提供了一种基于放电效应的新思路。

　　该团队表示，在实验室中制造路径可控的“闪电”，看似简单实则不易。其中一项挑战便是如何使液态金属小球阵列中众多小球间的距离保持一致。

　　这首先需要液态金属小球的尺寸必须得到足够精确的控制。研究中，液态金属小球是通过注射泵挤出的方式来得到液滴，再将液滴在硫化锌颗粒上滚动形成均匀紧密的颗粒包裹层打造而来。

　　实验中，他们曾尝试过多种颗粒尺寸，而所有这些比芝麻绿豆还小的液态金属“汤圆”都是论文第一作者俞若涵采取半手工方式完成的。

　　此外，每次改动液态金属小球的大小，放置小球阵列的基座，也有必要进行设计调整。

　　同时，如何用高速摄像机成千上万次捕捉稍纵即逝的放电过程，既是技术活又是体力活。

　　另一项挑战是当前实验体系核心驱动部件——电压发生器的选用。考虑到普适性，该团队的大部分实验都设计在空气环境下进行。

　　根据 Paschen 定律，空气的高介电常数决定了在空气介质产生放电需要较高的击穿电压。

　　不管是从实验成本、还是体系复杂度和安全性来说，几千伏特电压设备的使用都是他们想极力避免的。

　　这时，小时候玩过打火机电火花打火器的经历让研究人员灵光一现并想到：能不能用它来作为电压发生器呢？

　　在进行尝试之后，他们得到了肯定的结果。 这种看似不起眼的压电陶瓷点火器，实际上能够瞬时产生数千伏的电压脉冲，很好地满足了实验需求。

　　后来，在构建液态金属小球阵列时，他们采取一种“像素化”的放电路径显示模式。

　　得益于液态金属良好的导电特性，放电过程中液态金属小球的植入不会造成电压降低，因此电压降低主要发生在小球之间的空气间隙处。

　　也就是说这种像素化的可视化方案，能在不增加驱动电压的前提下，显著地增大可视化的放电距离。至此，本次课题也迎来了胜利的曙光。

　　新南威尔士大学博士生俞若涵是第一作者，新南威尔士大学的 Guangzhao Mao 教授和汤剑波教授、以及澳大利亚悉尼大学 的库罗什·卡兰塔尔-扎德（Kourosh Kalantar-Zadeh）教授担任共同通 讯作者。

　　谈及液态金属小球的阵列稳定性，研究人员表示液态金属小球由镓铟合金和表层覆盖的铜掺杂硫化锌颗粒组成。在空气中，液态镓铟合金表面会自发形成一层纳米厚度的自限性氧化膜。

　　这层薄薄的氧化膜使硫化锌颗粒能够紧密而牢固地附着在其表面，形成一层颗粒物“铠甲”，确保小球在实验制备和放电等过程中保持稳定。

　　在本研究中，为了制备尺寸和形状一致的液态金属小球， 他们将液态金属液滴的直径定为 1.5mm。

　　这是因为实验所用镓铟合金液态金属的毛细长度约为 3.2mm，小于此毛细长度的液滴会自发形成接近球形的形状，其在转移、排列、放电等操作的流程中不可能会发生坍塌和明显变形。

　　这样一来，液态金属弹珠阵列中众多小球之间能够保持稳定且一致的间距，同时这对于放电路径的调控也尤为重要。

　　那么，其他发光材料是不是也具有类似效果？该团队表示此次研究使用的是发蓝光的铜掺杂硫化锌颗粒。其他电致发光材料原则上也可当作荧光材料来调节可视化效果，但前提是要确保其颗粒能够稳定附着在液态金属表面。

　　目前，研究人员正在基于这项工作开发液态金属智能材料和液态金属赋能的智能系统。在致力于智能化设计的同时，也将向着柔性化和集成化方向努力。

　　此外，汤剑波将于 2024 年 10 月回国加盟西湖大学工学院担任助理教授（特聘研究员），目前正在招聘博士生、博士后以及科研助理数名，感兴趣可访问链接