Flüssigmetallübertragung von der Anode zur Kathode ohne Kurzschluss

Forscher der University of Wollongong erreichten einen bedeutenden Meilenstein beim neuartigen Transport weicher Materie, indem sie den Transfer von flüssigem Metall von einer Anode zu einer Kathode demonstrierten, ohne einen Kurzschluss zu erzeugen, was herkömmlichen Erwartungen widersprach.

Das von Prof. Xiaolin Wang geleitete Team stellt eine Methode vor, bei der Anoden aus flüssigem Metall (insbesondere auf Galliumbasis, flüssiges Metall bei Raumtemperatur) mit einem kleinen elektrischen Strom ohne Kurzschluss zu Kathoden fließen können.

Die Ergebnisse, veröffentlicht In Naturchemieingenieurwesen letzten Monat widersetzt sich herkömmlichen elektrochemischen Prinzipien und bietet vielversprechende Aussichten für die Entwicklung formrekonfigurierbarer elektrischer Leiter.

„Die Implikationen dieser Forschung erstrecken sich auf viele potenzielle Anwendungen“, sagt Prof. Wang. „Der kontinuierliche Hin- und Hertransfer flüssiger Metalltröpfchen und die Kontrollierbarkeit des Transfers eröffnen neue Wege für die Soft-Robotik und Gerätetechnik.“

Kurzschluss vermeiden

Herkömmlicherweise sollten positiv geladene Anoden kurzschließen, wenn sie mit einer Kathode in Kontakt gebracht werden (siehe Abbildung 1).

Der neuartige neue Ansatz ermöglicht den Fluss von flüssigem Metall von der Anode zur Kathode, ohne dass es zu solchen elektrischen Störungen kommt (siehe Abbildung 2).

Im Experiment bewegen sich Tröpfchen flüssigen Metalls, die an einer Anode haften, aufgrund der elektrochemischen Oxidation in Richtung der Kathode, da die elektrochemische Oxidation die Grenzflächenspannung des Metalls senkt.

Typischerweise wird eine feste Elektrode (zum Beispiel ein Kupferdraht) in das flüssige Metall eingeführt, um die Spannung anzulegen, die die elektrochemische Oxidation der Metalloberfläche antreibt. Die elektrochemischen Reaktionen laufen am kathodennahen Ende des Metalls intensiver ab und erzeugen einen Oberflächenspannungsgradienten (d. h. einen Marangoni-Effekt). Das Metall wandert dann zur Gegenelektrode.

„Zu diesem Zeitpunkt wäre es vernünftig gewesen, einen Kurzschluss zu erwarten, da das flüssige Metall den Stromkreis schließt“, sagt Hauptautor Dr. Yahua He (UOW).

„Aber in unserem Experiment nähert sich das Metall zwar der Gegenelektrode und umgibt sie, berührt sie aber nicht wirklich, sodass es keinen Kurzschluss gibt.“ Das flüssige Metall fließt weiter zur Kathode und umgibt diese, bis sich das Metall schließlich vollständig von der Anode löst und zur Kathode übergeht (siehe Abbildung 3a).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Kurzschluss erfolgreich vermieden wird und die selektive Ablösung und gleichzeitige Übertragung flüssiger Metalltröpfchen von einer Elektrode zur anderen in wässrigen Medien ermöglicht wird. Ein Tropfen kann so gewählt werden, dass er sich vollständig von einer metallischen Oberfläche löst und gleichzeitig ohne Kurzschluss auf eine andere metallische Oberfläche übertragen wird.

Die Blasenschicht mit einer kritischen Dicke von 250 µm spielt eine dominierende Rolle, um das flüssige Metall vor Kurzschlüssen zu schützen und den reibungslosen Ablösungs- und Transferprozess zu erleichtern, während die Oxide auch verhindern können, dass das flüssige Metall in verdünnter NaOH-Lösung kurzschließt (≤ 0,25 Mio.) mit reduzierter Liquidität.

Zerlege es Tropfen für Tropfen

Der Prozess ist selektiv und hängt vom Abstand zwischen Kathode und flüssigem Metall ab; Nur der nächstgelegene Flüssigmetalltröpfchen löst sich und wird übertragen (Abbildung 3b–e).

Alle Flüssigmetalltröpfchenanoden haben das gleiche Potenzial und werden daher alle dazu angetrieben, sich in Richtung der Kathode zu bewegen. Bei äquidistant angeordneten Tröpfchen (zwei Tröpfchen in Abb. 3b und fünf Tröpfchen in Abb. 3c) kann sich jedoch nur ein Tröpfchen lösen und übertragen.

Wie in Abbildung 3b dargestellt, befinden sich zwei Tröpfchen an gleich weit entfernten Seiten der Kathode. Sie konkurrieren um die Verformung und bewegen sich beide in Richtung Kathode. In diesem Beispiel erreicht das linke Tröpfchen zuerst die Kathode und beginnt dann, die Kathode zu umgeben, während sich das rechte Tröpfchen in seine Ausgangsposition zurückzieht (ein Szenario, bei dem alles gewinnt). Dadurch löst sich der verbleibende Tropfen vollständig von der Anode und wird gleichzeitig auf die Kathode übertragen. Der rechte Tropfen bleibt an der Ausgangsposition und bleibt am Kupferdraht haften.

Bei nicht äquidistant angeordneten Tröpfchen in Abbildung 3d löst sich nur das Tröpfchen, das der Kathode am nächsten liegt, selektiv und überträgt sich. Somit kann das übertragene Tröpfchen durch Bewegen der Kathode ausgewählt werden. Bei dieser Methode wird jeweils nur ein Tröpfchen abgelöst und übertragen.

Darüber hinaus kann ein Tröpfchen, nachdem es zur Kathode übertragen wurde, anschließend als neue Kathode dienen, um ein anderes Tröpfchen abzulösen und zu übertragen. Diese Fähigkeit ermöglicht einen kontinuierlichen Transferprozess für Flüssigmetallsysteme mit mehreren Tropfen.

Wasserstoff und Oberflächenoxid sorgen für eine Abschirmung

Die diesem Phänomen zugrunde liegenden Mechanismen umfassen Wasserstoffblasen an der Kathode, eine ultradünne Oberflächenoxidschicht auf dem flüssigen Metall und einen Abschirmeffekt. Diese Faktoren verhindern zusammen einen Kurzschluss und erleichtern die selektive Ablösung und Übertragung flüssiger Metalltröpfchen.

Wenn sich das Metall der Kathode nähert, werden drei Hauptfaktoren wichtig: 1) Wasserstoffblasen an der Kathode, 2) die Oberflächenoxidschicht auf dem flüssigen Metall und 3) Abschirmeffekt, wie in Abbildung 4a–c dargestellt.

Die ersten beiden Faktoren blockieren physikalisch den Kurzschluss (Schnittstelle in Abb. 4d dargestellt), während der dritte Faktor den selektiven Ablöse- und Transferprozess von Tröpfchen ermöglicht. Das heißt, wenn ein Flüssigmetalltröpfchen die Kathode umgibt, schirmt es die anderen Tröpfchen ab. Dadurch beenden andere Tröpfchen den Oxidationsprozess und ziehen sich in ihre Ausgangspositionen zurück.

Kontinuierliche Übertragung

Durch Umpolen der Elektroden lässt sich ein kontinuierlicher Hin- und Hertransfer flüssiger Metalltröpfchen realisieren.

Wie in Abbildung 5a dargestellt, bewegt sich das flüssige Metall zurück in die Ausgangsposition, wenn die Elektroden umgekehrt werden, nachdem flüssiges Metall vollständig zur Kathode übertragen wurde. Darüber hinaus lässt sich die Übertragungsposition steuern, indem ein Kupferdraht zwischen den Elektroden platziert wird, wie in Abbildung 5b dargestellt.

Wenn der Kupferdraht durch LMD benetzt wird, verschmilzt er im Vergleich zu nicht benetztem Metalldraht in kürzerer Zeit mit dem Draht. Dann kann das LMD den Draht leicht greifen und ihn wie flüssige Tentakel in die ursprüngliche Position zurückziehen (Abbildung 5c).

Wenn zwei LM-Tentakel so angeordnet werden, dass sie gleichzeitig an der Kathode ankommen, indem die Kathode näher am rechten Tropfen platziert und gleichzeitig die linke Seite der Petrischale leicht angehoben wird, wird in Abbildung 5d eine analoge „Kontakthemmung“ beobachtet.

Wenn die LMDs an der Kathode aufeinander treffen, fließen sie weiter von beiden Anoden zur einzelnen Kathode. Wenn ein LMD von seiner Anode abbricht, dehnt sich das andere durch Oxidation schnell aus. Darüber hinaus navigieren die LM-Tentakel zur sich bewegenden Kathode, um „Energie“ zu gewinnen, analog zum biologischen Phänomen Chemotaxis. Die Kathode zieht die LMDs aufgrund des Gradienten der Grenzflächenspannung an.

Die LM-Tentakel könnten sich sogar drehen, um der Kathode in Richtung Stromquelle zu folgen, wie in Abbildung 5e dargestellt. Durch Bewegen der Kathode können die LM-Tentakel einander berühren oder voneinander trennen.

Anwendungen

Eine solche Manipulation könnte nützliche Strategien für flüssige Metalle als formveränderbare Leiter für Geräte und Aktoren für Soft-Robotik erweitern.

Darüber hinaus hat die Vermeidung von Kurzschlüssen Auswirkungen auf die elektrochemische Technik, beispielsweise die deutliche Auswirkung auf den konvektiven Transport elektrochemisch aktiver Spezies sowie auf die Wärmeübertragung in der Nähe von Elektroden.

Diese Forschung widerspricht nicht nur herkömmlichen elektrochemischen Prinzipien, sondern bietet auch vielversprechende Aussichten für die Entwicklung formrekonfigurierbarer Leiter und Aktoren. Die Vermeidung von Kurzschlüssen hat erhebliche Auswirkungen auf die elektrochemische Technik und verdeutlicht die tiefgreifenden Auswirkungen auf den konvektiven Transport elektrochemisch aktiver Spezies und die Wärmeübertragung in der Nähe von Elektroden.