磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

近來,鎵基液態金屬由於其獨特的性質引起越來越多的關注。液態金屬具有遠低於其他金屬的熔點(15.5℃),因此它可以在室溫下保持在液態。有趣的是,當液態金屬暴露於空氣時,其表面會瞬間形成一層幾個納米厚的氧化膜。

這層氧化物能夠維持液態金屬的靜態結構並賦予形狀可塑性換句話說,液態金屬的形態和運動可以利用氧化鎵層的去除/形成來操控。液態金屬的這種特性啟發了研究人員設計新型驅動的研究,可勝任藥物輸送、電致開關等任務

目前,利用液態金屬實現驅動的方法主要有兩種:通過施加電壓達到電浸潤與毛細管力作用然而,這些方法有一定侷限性。例如電浸潤需要一定的電場和基板要求;毛細管流道的製備工藝複雜,液態金屬流動受阻等。此外,目前大多數關於操作液態金屬的研究都是在氫氧化鈉(NaOH)溶液中進行的——NaOH可以去除氧化層,從而促進液態金屬的流動。然而,NaOH溶液具有強腐蝕性,限制了液態金屬驅動裝置在生物、精密儀器領域的應用

西安交通大學的研究人員採用了一種簡單的方法,他們在液態金屬液滴中包覆微鋼珠(作為發動機),

利用磁場作用實現液滴的精確定位和高度可控運動這種液態金屬磁驅動裝置既可以在水中使用,也可以在固體基材(紙張)上使用,適用於不同的工作環境。此外,紙基柔性電子產品的修復、藥物運輸和血管清洗方面的應用成功證明了磁控液態金屬技術對新型驅動的巨大應用價值

 製備與調控 

下圖液態金屬驅動器的製備過程。整個製備過程簡單,只需將微鋼珠植入液態金屬中,就可以用永磁鐵操控其運動。

磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

▲ 液態金屬中包覆微鋼珠作為驅動發動機

磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

▲ 驅動裝置可在水中運動

下圖為兩顆5μL液態金屬在永磁鐵操控下的融合行為。

磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

▲ 兩顆液態金屬可以融合並驅動

 驅動器應用 

研究人員設計了一個簡易的斷開電路,將兩顆液態金屬驅動器同時接入電路時,LED燈發光。

磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

▲ 驅動導電的液態金屬液滴接通電路

在驅動器外包覆一層含有藥物的水凝膠,可以操控實現藥物運輸,並在目標處釋放藥物。

磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

▲ 液態金屬負載藥物並輸送到目的地

驅動器也可以通過運動實現對血管中的堵塞物的清除

磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

▲ 操控液態金屬液滴清潔血管

磁鐵操控液態金屬——新型驅動裝置製備與應用

這項研究表明,簡單的磁控提供了新型驅動方式來實現液態金屬移動的定向運動。通過包覆微鋼珠(發動機),液態金屬液滴在施加磁場的固體表面和液體介質中能夠實現精確定位和高度可控運動。這種液態金屬運動的磁驅動在不同領域具有巨大潛力,包括髮展迅速的軟體機器人和柔性電子領域。


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