Wetenschap
Vloeibaar-metaaloverdracht van anode naar kathode zonder kortsluiting
Onderzoekers van de Universiteit van Wollongong bereikten een belangrijke mijlpaal in het nieuwe transport van zachte materie door de overdracht van vloeibaar metaal van een anode naar een kathode aan te tonen zonder kortsluiting te creëren, wat de conventionele verwachtingen tart.
Het team onder leiding van prof. Xiaolin Wang onthult een methode waarbij anodes van vloeibaar metaal (met name op gallium gebaseerd, vloeibaar metaal op kamertemperatuur) met een kleine elektrische stroom naar kathodes kunnen stromen zonder kortsluiting.
De resultaten, gepubliceerd in Nature Chemical Engineering vorige maand tart conventionele elektrochemische principes en biedt veelbelovende perspectieven voor de ontwikkeling van in vorm herconfigureerbare elektrische geleiders.
"De implicaties van dit onderzoek strekken zich uit tot veel potentiële toepassingen", zegt prof. Wang. "De voortdurende heen en weer overdracht van vloeibare metaaldruppeltjes en de beheersbaarheid van de overdracht openen nieuwe wegen voor zachte robotica en apparaattechniek."
Kortsluiting voorkomen
Conventioneel zouden positief geladen anodes moeten kortsluiten wanneer ze in contact worden gebracht met een kathode (zie figuur 1).
Dankzij de nieuwe nieuwe aanpak kan vloeibaar metaal van de anode naar de kathode stromen zonder dergelijke elektrische verstoringen te veroorzaken (zie figuur 2).
In het experiment bewegen druppeltjes vloeibaar metaal die aan een anode zijn bevestigd naar de kathode als gevolg van elektrochemische oxidatie, omdat elektrochemische oxidatie de grensvlakspanning van het metaal verlaagt.
Meestal wordt een vaste elektrode (bijvoorbeeld koperdraad) in het vloeibare metaal gestoken om de spanning aan te leggen die de elektrochemische oxidatie van het metalen oppervlak aandrijft. De elektrochemische reacties vinden intenser plaats aan het uiteinde van het metaal dat zich het dichtst bij de kathode bevindt, waardoor een oppervlaktespanningsgradiënt ontstaat (dat wil zeggen een Marangoni-effect). Het metaal migreert vervolgens naar de tegenoverliggende elektrode.
"Op dit moment zou het redelijk zijn geweest om een kortsluiting te verwachten omdat het vloeibare metaal het elektrische circuit voltooit", zegt hoofdauteur Dr. Yahua He (UOW).
"Hoewel het metaal in ons experiment de tegenelektrode nadert en omringt, raakt het deze niet echt aan, dus er is geen kortsluiting." Het vloeibare metaal blijft naar de kathode stromen en deze omringen totdat het metaal uiteindelijk volledig loskomt van de anode en overgaat naar de kathode (zie figuur 3a).
Samenvattend wordt de kortsluiting met succes vermeden en wordt de selectieve loslating en gelijktijdige overdracht van vloeibare metaaldruppeltjes van de ene elektrode naar de andere in waterige media mogelijk gemaakt. Er kan worden gekozen voor een druppel die volledig wordt losgemaakt van een metalen oppervlak en tegelijkertijd wordt overgebracht naar een ander metalen oppervlak, zonder kortsluiting.
De bellenlaag met een kritische dikte van 250 µm speelt een dominante rol bij het beschermen van het vloeibare metaal tegen kortsluiting en het vergemakkelijken van het soepele onthechting- en overdrachtsproces, terwijl de oxiden ook kunnen voorkomen dat het vloeibare metaal kortsluit in een verdunde NaOH-oplossing (≤ 0,25 M) met verminderde liquiditeit.
Druppel voor druppel opsplitsen
Het proces is selectief en hangt af van de afstand tussen kathode en vloeibaar metaal; alleen de dichtstbijzijnde druppel vloeibaar metaal zal loskomen en worden overgedragen (Figuur 3b–e).
Alle vloeistof-metaaldruppelanodes hebben hetzelfde potentieel en worden dus allemaal aangedreven om naar de kathode te bewegen. Maar voor op gelijke afstanden geplaatste druppels (twee druppels in figuur 3b en vijf druppels in figuur 3c) kan slechts één druppel loskomen en worden overgedragen.
Zoals weergegeven in figuur 3b bevinden twee druppels zich op gelijke afstanden van de kathode. Ze concurreren om te vervormen en bewegen beide richting kathode. In dit voorbeeld arriveert de linkerdruppel eerst bij de kathode en begint deze vervolgens de kathode te omsingelen, terwijl de rechterdruppel zich terugtrekt naar zijn oorspronkelijke positie (een scenario waarbij de winnaar alles krijgt). Als gevolg hiervan komt de linkerdruppel volledig los van de anode en wordt tegelijkertijd overgebracht naar de kathode. Het rechter druppeltje blijft op de beginpositie staan en blijft vastzitten aan de koperdraad.
Voor niet op gelijke afstanden gerangschikte druppeltjes in figuur 3d wordt alleen de druppel die zich het dichtst bij de kathode bevindt, selectief losgemaakt en overgedragen. De overgedragen druppel kan dus worden geselecteerd door de kathode te verplaatsen. Deze methode maakt slechts één druppel per keer los en verplaatst deze.
Bovendien kan, nadat één druppel naar de kathode is overgebracht, deze vervolgens als nieuwe kathode dienen om een andere druppel los te maken en over te dragen. Deze mogelijkheid maakt een continu overdrachtsproces mogelijk voor systemen met vloeibaar metaal met meerdere druppels.
Waterstof en oppervlakteoxide zorgen voor afscherming
De onderliggende mechanismen achter dit fenomeen omvatten waterstofbellen aan de kathode, een ultradunne oxidelaag op het vloeibare metaal en een afschermend effect. Deze factoren voorkomen gezamenlijk kortsluiting en vergemakkelijken de selectieve onthechting en overdracht van vloeibare metaaldruppeltjes.
Wanneer het metaal de kathode nadert, worden drie primaire factoren belangrijk:1) waterstofbellen bij de kathode, 2) de oppervlakte-oxidelaag op het vloeibare metaal, en 3) een afschermend effect, zoals weergegeven in figuur 4a-c.
De eerste twee factoren blokkeren fysiek kortsluiting (interface geïllustreerd in figuur 4d), terwijl de derde factor het selectieve loslatings- en overdrachtsproces van druppels mogelijk maakt. Dat wil zeggen dat wanneer één druppel vloeibaar metaal de kathode omringt, deze de andere druppels afschermt. Als gevolg hiervan beëindigen andere druppels het oxidatieproces en trekken ze zich terug naar hun oorspronkelijke posities.
Doorlopende overdracht
Continue heen en weer overdracht van vloeibare metaaldruppeltjes kan worden gerealiseerd door de polariteit van de elektroden om te keren.
Zoals weergegeven in figuur 5a, beweegt het vloeibare metaal terug naar de beginpositie wanneer de elektroden worden omgekeerd nadat het vloeibare metaal volledig naar de kathode is overgebracht. Bovendien is de overdrachtspositie regelbaar door een koperdraad tussen de elektroden te plaatsen, zoals weergegeven in figuur 5b.
Wanneer de koperdraad door LMD wordt bevochtigd, versmelt deze in een kortere tijd met de draad in vergelijking met niet-bevochtigde metaaldraad. Vervolgens kan de LMD de draad gemakkelijk vastpakken en terugtrekken naar de oorspronkelijke positie, zoals vloeibare tentakels (Afbeelding 5c).
Wanneer twee LM-tentakels zo zijn opgesteld dat ze tegelijkertijd bij de kathode aankomen door de kathode dichter bij de rechterdruppel te plaatsen terwijl de linkerkant van de petrischaal iets omhoog wordt gebracht, wordt een analoge "contactremming" waargenomen in figuur 5d.
Wanneer de LMD's elkaar ontmoeten bij de kathode, blijven ze van beide anodes naar de enkele kathode stromen. Wanneer de ene LMD van zijn anode breekt, zet de andere snel uit door oxidatie. Bovendien zullen de LM-tentakels naar de bewegende kathode navigeren voor "energie", analoog aan het biologische fenomeen chemotaxis. De kathode trekt de LMD's aan vanwege de gradiënten van de grensvlakspanning.
De LM-tentakels zouden zelfs kunnen draaien om de kathode naar de stroombron te volgen, zoals weergegeven in figuur 5e. De LM-tentakels kunnen contact met elkaar maken of van elkaar scheiden door de kathode te verplaatsen.
Toepassingen
Een dergelijke manipulatie kan nuttige strategieën voor vloeibare metalen uitbreiden als vormherconfigureerbare geleiders voor apparaten en actuatoren voor zachte robotica.
Bovendien heeft het vermijden van kortsluiting gevolgen voor de elektrochemische techniek, zoals de uitgesproken impact op het convectieve transport van elektrochemisch actieve soorten en op de warmteoverdracht nabij elektroden.
Dit onderzoek tart niet alleen conventionele elektrochemische principes, maar biedt ook veelbelovende perspectieven voor de ontwikkeling van vormherconfigureerbare geleiders en actuatoren. Het vermijden van kortsluiting heeft aanzienlijke gevolgen voor de elektrochemische techniek, waarbij de diepgaande impact op het convectieve transport van elektrochemisch actieve soorten en de warmteoverdracht nabij elektroden wordt benadrukt.