理化所等揭示液态金属表面非常规法拉第波及其

发布者:admin 发布时间:2019-10-26 20:21 浏览次数:

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  液体随容器垂直上下振动时,当驱动加速度超过某一临界值,液体表面会突然变得极不稳定,这会诱发出非线性亚谐驻波,该现象被称为法拉第波(Faraday Wave),这是经典的流体力学不稳定难题。研究法拉第波的表面波模态和形状对于发展水动力系统的复杂非线性动力学及模态成形理论有着十分重要的科学意义,如Rayleigh-Benard对流、Taylor-Couette流以及非线性光学等。更为有趣的是,竖直振动的液面可作为一个柔性基底来承载同种流体的悬浮液滴,上下两部分流体不融合的机理在于其间存在一层极薄的流动介质层,这个薄层提供了一定的托举力从而避免了上下流体间直接接触(Reynolds润滑理论)。此外,由于液滴振动激发的波与液滴自身的跳跃具有相互耦合作用,这种流体动力学意义上的“波粒二象性”能够使液滴表现出匪夷所思的量子力学特性。由于上述因素,法拉第波体系近年来引起了科学界的极大关注。

  制约法拉第波振动模态的参数很多,主要有:驱动条件(频率、加速度),边界条件(容器形状、流体meniscus)及工作流体性质等。其中,流体密度、粘度、表面张力等具有根本性影响。传统上针对法拉第波及悬浮液滴的研究多在常规流体如水和油类进行,这主要因其具有较为适中的密度和较小的表面张力。与此不同的是,液态金属作为一大类新兴功能流体材料,其密度远高于常规流体(水的6倍),导电性强,表面张力极大(约为水的10倍),重力和表面张力的综合作用极易使上下布置的两部分液态金属立刻融合。迄今为止,学术界从未有过针对液态金属这一特殊流体对振动响应的相关研究,此次发现揭开了丰富的液态金属法拉第波现象,如显著区别于以往的表面波特性、悬浮液滴效应,以及无法在非导电流体上实现的电控切换效应等,由此打开了诸多新的探索和应用空间。

  实验发现,通过调节驱动频率和加速度,液态金属液池表面会呈现出一系列高度对称的规则表面波图案(图1a)。随着驱动频率的增大,表面波图案变得更加复杂,图案折叠数总体上呈一个增长趋势(图1b)。然而,不同频率下也可以形成相同折叠数的图案,只是在图案细节上各有不同(图1b对应1c彩色方框)。文章深入探究了液态金属表面波状态与驱动参数之间的定量关系,指出了表面波模态的稳定工况范围。这些在液态金属表面激发的一系列高度对称的表面波图案,以往从未在单一的传统流体系统中被观测过。主要原因在于液态金属极大的表面张力,会使其耗散长度远高于传统流体,因此表面波受流体边界形状(meniscus)的影响很大。实验观测到的表面波实际上是振动激发的非线性驻波与边界发射波相互叠加的结果。

  进一步地,研究人员研究了金属液滴在其液池上的悬浮行为。对于传统流体而言,就悬浮液滴的研究只能限于临界法拉第加速度以下。一旦驱动加速度高于法拉第临界值,整个液面会突然出现紊乱而不再能承载悬浮液滴。而液态金属体系由于能形成高度规则的图案,即使在法拉第临界加速度以上,金属液滴仍能十分稳定地悬浮于液面上。同时,液滴会被锁定在表面波的波腹位置,并在液态金属液滴振动到最低点时与液面发生碰撞从而获得一个竖直方向的稳定跳跃能量,位于相邻波腹点的液滴跳跃相位则相反(图2a)。放置多个液滴在液态金属液面上,液滴由于波动液面对其的锁定作用,会自动组装成表面波图案对应的类晶体结构(图2b)。论文还探究了能够稳定悬浮的液滴尺寸范围,发现对于更高的频率,能够悬浮的液滴直径范围会逐步减小(图2c)。

  不同于传统非导电流体的是,液态金属得益于自身金属材料优良的导电性,使其能够通过外加电场来灵活改变自身性质。作者们由此提出了一种通过外加电场灵活快速调控液态金属表面波状态的方法(图3)。分析液态金属的电毛细曲线发现,只需一个很小的外加电压(5 V以下),即能迅速使液态金属的表面张力发生显著改变,而流体表面张力对于法拉第波临界值影响极大,进而决定表面波模态。值得注意的是,通过外加电场调节表面波模态是一个可逆的过程,当撤去外加电场后,表面波能够自动恢复到其自身原本的状态。因而对于液态金属这一特殊流体,利用外加电场来灵活切换表面波状态使其具有更高的可控性,对于研究法拉第波不稳定性、模态形成和模态间转换问题等具有重要意义。

  总的说来,液态金属法拉第波体系中呈现出十分丰富的表面波模式,能够借助调节外界驱动参数来按需激发,并能通过外加电场实现快速有效的调节,同时表面悬浮液滴可以自组装成对应的图案结构,因此该系统十分适合于研究图形成形、模态变化和液滴自组装理论。其次,悬浮的液态金属液滴具有更高的自由度,不受基底材料性质的影响,对于研究液态金属机器人、智能马达、柔性泵、血管机器人等具有较为重要的科学意义和应用价值。该项工作建立的利用振动实现液滴悬浮的方法也为研究液态金属在柔性基底上的运动行为提供了一种崭新的非接触式的技术途径,相比于外加电场、改变化学场等传统方法,施加振动并不会改变液态金属和溶液体系的化学组分和化学性质,因而该方法具有极高的稳定性和可行性。此外,由于振动所引发的法拉第不稳定性与流体本身的性质关系巨大,因而对于液态金属这一特殊流体对振动响应的探究,对于完善流体力学的相关科学体系具有十分深刻的基础意义。

  以上研究得到中科院院长基金、前沿科学项目以及国家自然科学基金重点项目资助。

  图1. (a) 高度对称的规则表面波图案,折叠对称数N从2到10;(b) 不同驱动频率下的表面波图案形状汇总;(c) 四组具有相同对称折叠数的表面波图案,N分别对应于5-8

  图2. (a) 悬浮液态金属液滴的侧视图;(b) 多个液态金属液滴自组装为对应的表面波图案(N=3-8);(c) 不同驱动频率下能够悬浮的液滴直径范围(蓝色区域)

  近日,中国科学院理化技术研究所与清华大学联合小组,在美国物理学会期刊Physical Review Fluids上首次报道了由振动诱发的液态金属表面法拉第波及液滴悬浮效应,论文题为《液态金属液池上激发的可电学切换的表面波及液滴跳跃效应》(Zhao X., Tang J., Liu J., Electrically switchable surface waves and bouncing droplets excited on a liquid metal bath, Physical Review Fluids, 3: 124804, 2018)。

  液体随容器垂直上下振动时,当驱动加速度超过某一临界值,液体表面会突然变得极不稳定,这会诱发出非线性亚谐驻波,该现象被称为法拉第波(Faraday Wave),这是经典的流体力学不稳定难题。研究法拉第波的表面波模态和形状对于发展水动力系统的复杂非线性动力学及模态成形理论有着十分重要的科学意义,如Rayleigh-Benard对流、Taylor-Couette流以及非线性光学等。更为有趣的是,竖直振动的液面可作为一个柔性基底来承载同种流体的悬浮液滴,上下两部分流体不融合的机理在于其间存在一层极薄的流动介质层,这个薄层提供了一定的托举力从而避免了上下流体间直接接触(Reynolds润滑理论)。此外,由于液滴振动激发的波与液滴自身的跳跃具有相互耦合作用,这种流体动力学意义上的“波粒二象性”能够使液滴表现出匪夷所思的量子力学特性。由于上述因素,法拉第波体系近年来引起了科学界的极大关注。

  制约法拉第波振动模态的参数很多,主要有:驱动条件(频率、加速度),边界条件(容器形状、流体meniscus)及工作流体性质等。其中,流体密度、粘度、表面张力等具有根本性影响。传统上针对法拉第波及悬浮液滴的研究多在常规流体如水和油类进行,这主要因其具有较为适中的密度和较小的表面张力。与此不同的是,液态金属作为一大类新兴功能流体材料,其密度远高于常规流体(水的6倍),导电性强,表面张力极大(约为水的10倍),重力和表面张力的综合作用极易使上下布置的两部分液态金属立刻融合。迄今为止,学术界从未有过针对液态金属这一特殊流体对振动响应的相关研究,此次发现揭开了丰富的液态金属法拉第波现象,如显著区别于以往的表面波特性、悬浮液滴效应,以及无法在非导电流体上实现的电控切换效应等,由此打开了诸多新的探索和应用空间。

  实验发现,通过调节驱动频率和加速度,液态金属液池表面会呈现出一系列高度对称的规则表面波图案(图1a)。随着驱动频率的增大,表面波图案变得更加复杂,图案折叠数总体上呈一个增长趋势(图1b)。然而,不同频率下也可以形成相同折叠数的图案,只是在图案细节上各有不同(图1b对应1c彩色方框)。文章深入探究了液态金属表面波状态与驱动参数之间的定量关系,指出了表面波模态的稳定工况范围。这些在液态金属表面激发的一系列高度对称的表面波图案,以往从未在单一的传统流体系统中被观测过。主要原因在于液态金属极大的表面张力,会使其耗散长度远高于传统流体,因此表面波受流体边界形状(meniscus)的影响很大。实验观测到的表面波实际上是振动激发的非线性驻波与边界发射波相互叠加的结果。

  进一步地,研究人员研究了金属液滴在其液池上的悬浮行为。对于传统流体而言,就悬浮液滴的研究只能限于临界法拉第加速度以下。一旦驱动加速度高于法拉第临界值,整个液面会突然出现紊乱而不再能承载悬浮液滴。而液态金属体系由于能形成高度规则的图案,即使在法拉第临界加速度以上,金属液滴仍能十分稳定地悬浮于液面上。同时,液滴会被锁定在表面波的波腹位置,并在液态金属液滴振动到最低点时与液面发生碰撞从而获得一个竖直方向的稳定跳跃能量,位于相邻波腹点的液滴跳跃相位则相反(图2a)。放置多个液滴在液态金属液面上,液滴由于波动液面对其的锁定作用,会自动组装成表面波图案对应的类晶体结构(图2b)。论文还探究了能够稳定悬浮的液滴尺寸范围,发现对于更高的频率,能够悬浮的液滴直径范围会逐步减小(图2c)。

  不同于传统非导电流体的是,液态金属得益于自身金属材料优良的导电性,使其能够通过外加电场来灵活改变自身性质。作者们由此提出了一种通过外加电场灵活快速调控液态金属表面波状态的方法(图3)。分析液态金属的电毛细曲线发现,只需一个很小的外加电压(5 V以下),即能迅速使液态金属的表面张力发生显著改变,而流体表面张力对于法拉第波临界值影响极大,进而决定表面波模态。值得注意的是,通过外加电场调节表面波模态是一个可逆的过程,当撤去外加电场后,表面波能够自动恢复到其自身原本的状态。因而对于液态金属这一特殊流体,利用外加电场来灵活切换表面波状态使其具有更高的可控性,对于研究法拉第波不稳定性、模态形成和模态间转换问题等具有重要意义。

  总的说来,液态金属法拉第波体系中呈现出十分丰富的表面波模式,能够借助调节外界驱动参数来按需激发,并能通过外加电场实现快速有效的调节,同时表面悬浮液滴可以自组装成对应的图案结构,因此该系统十分适合于研究图形成形、模态变化和液滴自组装理论。其次,悬浮的液态金属液滴具有更高的自由度,不受基底材料性质的影响,对于研究液态金属机器人、智能马达、柔性泵、血管机器人等具有较为重要的科学意义和应用价值。该项工作建立的利用振动实现液滴悬浮的方法也为研究液态金属在柔性基底上的运动行为提供了一种崭新的非接触式的技术途径,相比于外加电场、改变化学场等传统方法,施加振动并不会改变液态金属和溶液体系的化学组分和化学性质,因而该方法具有极高的稳定性和可行性。此外,由于振动所引发的法拉第不稳定性与流体本身的性质关系巨大,因而对于液态金属这一特殊流体对振动响应的探究,对于完善流体力学的相关科学体系具有十分深刻的基础意义。

  以上研究得到中科院院长基金、前沿科学项目以及国家自然科学基金重点项目资助。

  图1. (a) 高度对称的规则表面波图案,折叠对称数N从2到10;(b) 不同驱动频率下的表面波图案形状汇总;(c) 四组具有相同对称折叠数的表面波图案,N分别对应于5-8

  图2. (a) 悬浮液态金属液滴的侧视图;(b) 多个液态金属液滴自组装为对应的表面波图案(N=3-8);(c) 不同驱动频率下能够悬浮的液滴直径范围(蓝色区域)


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