Oxidation-Mediated Fingering in Liquid Metals

材料科学 表面张力 不稳定性 化学物理 液态金属 氧化物 金属 电化学 合金 复合材料 极限抗拉强度 张力(地质) 机械 热力学 冶金 化学 电极 物理化学 物理
作者
Collin B. Eaker,David Hight,John O'Regan,Michael D. Dickey,Karen E. Daniels
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:119 (17): 174502-174502 被引量:92
标识
DOI:10.1103/physrevlett.119.174502
摘要

We identify and characterize a new class of fingering instabilities in liquid metals; these instabilities are unexpected due to the large interfacial tension of metals. Electrochemical oxidation lowers the effective interfacial tension of a gallium-based liquid metal alloy to values approaching zero, thereby inducing drastic shape changes, including the formation of fractals. The measured fractal dimension (D=1.3±0.05) places the instability in a different universality class than other fingering instabilities. By characterizing changes in morphology and dynamics as a function of droplet volume and applied electric potential, we identify the three main forces involved in this process: interfacial tension, gravity, and oxidative stress. Importantly, we find that electrochemical oxidation can generate compressive interfacial forces that oppose the tensile forces at a liquid interface. The surface oxide layer ultimately provides a physical and electrochemical barrier that halts the instabilities at larger positive potentials. Controlling the competition between interfacial tension and oxidative (compressive) stresses at the interface is important for the development of reconfigurable electronic, electromagnetic, and optical devices that take advantage of the metallic properties of liquid metals.
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