Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een techniek gedemonstreerd waarmee ze bij kamertemperatuur stromen vloeibaar metaal kunnen produceren. Door een laag voltage aan te leggen op het vloeibare metaal, de onderzoekers waren in staat om de oppervlaktespanning af te stemmen over ten minste drie ordes van grootte.

"Vloeistoffen willen druppeltjes vormen, omdat dat hun oppervlakte-energie verlaagt, " zegt Michael Dickey, een professor in chemische en biomoleculaire engineering bij NC State en co-corresponderende auteur van de studie. "En dat geldt vooral voor vloeibare metalen, omdat ze een veel hogere oppervlaktespanning hebben dan andere vloeistoffen."

Oppervlaktespanning wordt gemeten in eenheden van millinewton per meter. De meeste vloeistoffen, zoals benzine of water, hebben oppervlaktespanningswaarden tussen 20 en 72 millinewton per meter. Gallium legeringen, die werden gebruikt in de NC State-studie, een oppervlaktespanning hebben van minimaal 500 millinewton per meter.

"We kunnen de oppervlaktespanning verlagen van 500 naar 0,1 door minder dan één volt toe te passen, " zegt Minyung Song, die onlangs haar Ph.D. bij NC State en is de eerste auteur van het papier. "En dat verandert volledig hoe het vloeibare metaal zich gedraagt."

Als je gallium-indiumlegering uit een mondstuk begon te persen, het vormt een druppel vanwege de hoge oppervlaktespanning. Als je een stroom vloeibaar metaal wilt creëren, je zou een voldoende hoge stroomsnelheid moeten toepassen om het snel uit het mondstuk te werpen. Maar zelfs dan, de resulterende stream zou niet erg stabiel zijn.

Echter, het aanbrengen van een lage spanning op het vloeibare metaal wanneer het metaal onder water is, creëert een dunne laag oxide aan het oppervlak. Hierdoor kunnen de onderzoekers stromende stromen vloeibaar metaal creëren met de diameter van een mensenhaar - en een lage stroomsnelheid.

"Dit oxide werkt als zeepmoleculen voor water, het verlagen van de oppervlaktespanning en het verminderen van de neiging van de vloeistof om te parelen, " zegt Karen Daniëls, hoogleraar natuurkunde aan NC State en co-corresponderende auteur van de studie, "maar hier is het effect volledig omkeerbaar door de spanning uit te schakelen. Je kunt de zeep niet zo gemakkelijk weer uit het water halen."

Wanneer de lage spanning wordt toegepast op bewegend vloeibaar metaal, het creëert effectief een vloeiende oxidehuid die langs het oppervlak van het vloeibare metaal loopt. Met andere woorden, de oxidelaag is niet statisch - het geheel stroomt gestaag uit het mondstuk, als een draad.

De techniek geeft onderzoekers veel controle over hoe het vloeibare metaal zich gedraagt, omdat - tot op zekere hoogte - hoe hoger de spanning die ze op het vloeibare metaal toepassen, hoe lager de oppervlaktespanning van het vloeibare metaal. Echter, bij de hoogste spanningen, de oxidelaag vormt een dikke korst die de manier waarop het metaal stroomt verstoort. Dit resulteert in een vloeistofstroom die lijkt op druipende was. Het onderzoeksteam had eerder aangetoond dat het toepassen van lage spanning op een vloeibaar metaaldruppel in rust de oppervlaktespanning verlaagt en ervoor zorgt dat het fractale patronen vormt. Dat onderzoek is ook uitgevoerd op vloeibaar metaal onder water. Deze nieuwe studie is de eerste die ingaat op wat er gebeurt als het vloeibare metaal in beweging is.

"We beginnen pas het volledige scala aan mogelijke toepassingen voor deze techniek te verkennen, ", zegt Dickey. "Een idee zou zijn om op kamertemperatuur effectief vloeibare metalen draden te maken. Als je ze omhult in een elastische schede, je zou rekbare draden hebben. Het kan ook worden gebruikt als een nieuw hulpmiddel voor het bestuderen en beheersen van vloeistofgedrag. Het is opwindend omdat meer dan 100 jaar wetenschappelijke studies aantonen dat vloeistofstromen uiteenvallen in druppeltjes. We hebben een eenvoudige manier gevonden om deze stromen te stabiliseren."

De studie, "Het overwinnen van Rayleigh-Plateau-instabiliteiten:stabiliseren en destabiliseren van vloeibaar-metaalstromen via elektrochemische oxidatie, " is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .