Onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om het oppervlak van vloeibaar metaal dynamisch te schakelen tussen reflecterende en verstrooiende toestanden. Deze technologie zou ooit kunnen worden gebruikt om elektrisch bestuurbare spiegels of verlichtingsapparaten te maken.

Vloeibare metalen combineren de elektrische, thermische en optische eigenschappen van metalen met de vloeibaarheid van een vloeistof. De nieuwe aanpak maakt gebruik van een elektrisch aangedreven chemische reactie om schakelbare reflecterende oppervlakken op een vloeibaar metaal te creëren. Geen optische coatings of polijststappen, die doorgaans nodig zijn om reflecterende optische componenten te maken, zijn nodig om het vloeibare metaal sterk reflecterend te maken.

In het tijdschrift Optical Society (OSA) Optische materialen Express , onderzoekers onder leiding van Yuji Oki van de Kyushu University in Japan laten zien dat schakelen tussen reflecterende en verstrooiende toestanden kan worden bereikt met slechts 1,4 V, ongeveer dezelfde spanning die wordt gebruikt om een ​​typische LED te verlichten. De onderzoekers werkten samen met het onderzoeksteam van Michael D. Dickey aan de North Carolina State University om de nieuwe methode te ontwikkelen, die kan worden geïmplementeerd bij omgevingstemperatuur en -drukken.

"In de nabije toekomst zou deze technologie kunnen worden gebruikt om tools voor entertainment en artistieke expressie te creëren die nog nooit eerder beschikbaar waren, "zei Oki. "Met meer ontwikkeling, het is misschien mogelijk om deze technologie uit te breiden tot iets dat veel lijkt op 3D-printen voor het produceren van elektronisch gestuurde optica gemaakt van vloeibare metalen. Dit zou het mogelijk kunnen maken dat de optica die wordt gebruikt in op licht gebaseerde gezondheidstestapparatuur gemakkelijk en goedkoop kan worden gefabriceerd in gebieden van de wereld waar geen medische laboratoriumfaciliteiten zijn."

Een optisch oppervlak creëren

In het nieuwe werk de onderzoekers creëerden een reservoir met behulp van een ingebed stroomkanaal. Vervolgens gebruikten ze een "push-pull-methode" om optische oppervlakken te vormen door op gallium gebaseerd vloeibaar metaal in het reservoir te pompen of het uit het reservoir te zuigen. Dit proces vormde convex, vlak, of holle oppervlakken; elk met verschillende optische eigenschappen.

Vervolgens, door elektriciteit toe te passen, de onderzoekers begonnen een chemische reactie die het vloeibare metaal omkeerbaar oxideert. De oxidatie verandert het volume van de vloeistof op een manier die veel kleine krasjes op het oppervlak veroorzaakt die lichtverstrooiing veroorzaken. Wanneer elektriciteit in de tegenovergestelde richting wordt toegepast, het vloeibare metaal keert terug naar zijn oorspronkelijke staat. Door de oppervlaktespanning van het vloeibare metaal verdwijnen de krassen, herstellen van het oppervlak in een schone reflecterende spiegelstaat.

De onderzoekers ontdekten de nieuwe techniek bij toeval tijdens het experimenteren met een vloeibaar metaal om te zien of het kan worden gebruikt om mallen te maken voor gebruik met een siliconenelastomeer. "Onze bedoeling was om oxidatie te gebruiken om de oppervlaktespanning te veranderen en het oppervlak van het vloeibare metaal te versterken, "zei Oki. "Echter, we hebben gevonden dat, onder bepaalde omstandigheden, het oppervlak zou spontaan veranderen in een verstrooiend oppervlak. In plaats van dit als een mislukking te beschouwen, we hebben de omstandigheden geoptimaliseerd en het fenomeen geverifieerd."

Het fenomeen karakteriseren

De onderzoekers karakteriseerden elektrochemisch en optisch de verschillende oppervlakken die ontstonden door het toepassen van elektriciteit. Ze ontdekten dat het veranderen van de spanning op het oppervlak van -800 mV naar +800 mV de lichtintensiteit zou verminderen als het oppervlak veranderde van reflecterend naar verstrooiend. Uit de elektrochemische metingen bleek dat een spanningsverandering van 1,4 V voldoende was om redoxreacties met goede reproduceerbaarheid te creëren.

"We ontdekten ook dat het oppervlak onder bepaalde omstandigheden enigszins kan oxideren en toch een glad reflecterend oppervlak kan behouden, "zei Oki. "Door dit te beheersen, het is misschien mogelijk om met deze aanpak nog meer diverse optische oppervlakken te creëren die kunnen leiden tot toepassingen in geavanceerde apparaten zoals biochemische chips of die kunnen worden gebruikt om 3D-geprinte optische elementen te maken."