I ricercatori dell'Università di Wollongong hanno raggiunto un traguardo significativo nel nuovo trasporto della materia soffice dimostrando il trasferimento di metallo liquido da un anodo a un catodo senza creare un cortocircuito, sfidando le aspettative convenzionali.
Il team guidato dal professor Xiaolin Wang svela un metodo in cui gli anodi di metallo liquido (in particolare metallo liquido a base di gallio, a temperatura ambiente) possono fluire verso i catodi con una piccola corrente elettrica senza cortocircuiti.
I risultati, pubblicati su Nature Chemical Engineering il mese scorso, sfida i principi elettrochimici convenzionali e offre prospettive promettenti per lo sviluppo di conduttori elettrici riconfigurabili nella forma.
"Le implicazioni di questa ricerca si estendono a molte potenziali applicazioni", afferma il prof. Wang. "Il trasferimento continuo avanti e indietro di goccioline di metallo liquido e la controllabilità del trasferimento aprono nuove strade per la robotica morbida e l'ingegneria dei dispositivi."
Convenzionalmente, gli anodi caricati positivamente dovrebbero cortocircuitare quando vengono messi in contatto con un catodo (vedi Figura 1).
Il nuovo approccio consente al metallo liquido di fluire dall'anodo verso il catodo senza causare tali interruzioni elettriche (vedere Figura 2).
Nell'esperimento, le goccioline di metallo liquido attaccate a un anodo si muovono verso il catodo a causa dell'ossidazione elettrochimica, poiché l'ossidazione elettrochimica abbassa la tensione interfacciale del metallo.
In genere, un elettrodo solido (ad esempio un filo di rame) viene inserito nel metallo liquido per applicare la tensione che guida l'ossidazione elettrochimica della superficie metallica. Le reazioni elettrochimiche si verificano più intensamente all'estremità del metallo più vicina al catodo, creando un gradiente di tensione superficiale (cioè un effetto Marangoni). Il metallo migra quindi verso l'elettrodo opposto.
"A questo punto, sarebbe stato ragionevole aspettarsi un cortocircuito poiché il metallo liquido completa il circuito elettrico", afferma l'autore principale Dr. Yahua He (UOW).
"Tuttavia, nel nostro esperimento, anche se il metallo si avvicina e circonda il controelettrodo, in realtà non lo tocca, quindi non c'è cortocircuito." Il metallo liquido continua a fluire verso il catodo e lo circonda finché alla fine il metallo si stacca completamente dall'anodo e si trasferisce al catodo (vedi Figura 3a).
In sintesi, il cortocircuito viene evitato con successo e consente il distacco selettivo e il trasferimento simultaneo di goccioline di metallo liquido da un elettrodo all'altro in mezzi acquosi. È possibile selezionare una gocciolina per staccarsi completamente da una superficie metallica e trasferirla contemporaneamente su un'altra superficie metallica senza cortocircuito.
Lo strato di bolle con uno spessore critico di 250 µm svolge un ruolo dominante nel proteggere il metallo liquido dai cortocircuiti e facilitare il processo di distacco e trasferimento regolare, mentre gli ossidi possono anche impedire il cortocircuito del metallo liquido in una soluzione diluita di NaOH (≤ 0,25 M) con liquidità ridotta.
Il processo è selettivo e dipende dalla distanza tra catodo e metallo liquido; solo la gocciolina di metallo liquido più vicina si staccherà e si trasferirà (Figura 3b–e).
Tutti gli anodi di goccioline di metallo liquido hanno lo stesso potenziale e sono quindi tutti spinti a spostarsi verso il catodo. Tuttavia, per le goccioline disposte equidistante (due goccioline nella Fig. 3b e cinque goccioline nella Fig. 3c), solo una gocciolina può staccarsi e trasferirsi.
Come mostrato nella Figura 3b, due goccioline si trovano ai lati equidistanti del catodo. Competono per deformarsi ed entrambi si muovono verso il catodo. In questo esempio, la gocciolina sinistra arriva prima al catodo, poi inizia a circondare il catodo, mentre la gocciolina destra si ritrae nella sua posizione iniziale (uno scenario in cui il vincitore prende tutto). Di conseguenza, la gocciolina sinistra si stacca completamente dall'anodo e viene contemporaneamente trasferita al catodo. La gocciolina destra rimane nella posizione iniziale e rimane attaccata al filo di rame.
Per le goccioline disposte in modo non equidistante nella Figura 3d, solo la gocciolina più vicina al catodo si stacca e trasferisce selettivamente. Pertanto, la goccia trasferita può essere selezionata spostando il catodo. Questo metodo stacca e trasferisce solo una goccia alla volta.
Inoltre, dopo che una goccia è stata trasferita al catodo, può successivamente fungere da nuovo catodo per staccare e trasferire un'altra goccia. Questa funzionalità consente un processo di trasferimento continuo per sistemi di metallo liquido con più gocce.
I meccanismi alla base di questo fenomeno coinvolgono bolle di idrogeno al catodo, uno strato di ossido superficiale ultrasottile sul metallo liquido e un effetto schermante. Questi fattori prevengono collettivamente i cortocircuiti e facilitano il distacco selettivo e il trasferimento di goccioline di metallo liquido.
Quando il metallo si avvicina al catodo, tre fattori primari diventano importanti:1) bolle di idrogeno al catodo, 2) lo strato di ossido superficiale sul metallo liquido e 3) effetto schermante, come mostrato nella Figura 4a–c.
I primi due fattori bloccano fisicamente il cortocircuito (interfaccia illustrata in Fig. 4d), mentre il terzo fattore abilita il processo di distacco e trasferimento selettivo delle goccioline. Cioè, quando una goccia di metallo liquido circonda il catodo, scherma le altre goccioline. Di conseguenza, altre goccioline terminano il processo di ossidazione e si ritraggono nelle loro posizioni iniziali.
Il trasferimento continuo avanti e indietro di goccioline di metallo liquido può essere realizzato invertendo la polarità degli elettrodi.
Come mostrato nella Figura 5a, quando gli elettrodi vengono invertiti dopo che il metallo liquido è stato completamente trasferito al catodo, il metallo liquido ritorna nella posizione iniziale. Inoltre, la posizione di trasferimento è controllabile posizionando un filo di rame tra gli elettrodi, come mostrato nella Figura 5b.
Quando il filo di rame viene bagnato dall'LMD, si fonde con il filo in un tempo più breve rispetto al filo metallico non bagnato. Quindi, l'LMD può facilmente afferrare il filo e tirarlo indietro verso la posizione originale, come tentacoli liquidi (Figura 5c).
Quando due tentacoli LM sono disposti in modo da arrivare al catodo contemporaneamente posizionando il catodo più vicino alla gocciolina destra mentre si solleva leggermente il lato sinistro della capsula di Petri, nella Figura 5d si osserva un'analoga "inibizione del contatto".
Quando gli LMD si incontrano al catodo, continuano a fluire da entrambi gli anodi al singolo catodo. Quando un LMD si stacca dal suo anodo, l'altro si espande rapidamente attraverso l'ossidazione. Inoltre, i tentacoli del LM si dirigeranno verso il catodo in movimento per produrre "energia", analogamente al fenomeno biologico chemiotassi. Il catodo attrae gli LMD a causa dei gradienti della tensione interfacciale.
I tentacoli del LM potrebbero anche girarsi per seguire il catodo verso la fonte di energia, come mostrato nella Figura 5e. I tentacoli LM sono in grado di entrare in contatto o separarsi tra loro spostando il catodo.
Applicazioni
Tale manipolazione può espandere strategie utili per i metalli liquidi come conduttori dalla forma riconfigurabile per dispositivi e attuatori per la robotica morbida.
Inoltre, evitare i cortocircuiti ha implicazioni per l'ingegneria elettrochimica, come l'impatto pronunciato sul trasporto convettivo di specie elettrochimicamente attive e sul trasferimento di calore vicino agli elettrodi.
Questa ricerca non solo sfida i principi elettrochimici convenzionali, ma offre anche prospettive promettenti per lo sviluppo di conduttori e attuatori riconfigurabili nella forma. Evitare i cortocircuiti ha implicazioni significative per l'ingegneria elettrochimica, evidenziando il profondo impatto sul trasporto convettivo di specie elettrochimicamente attive e sul trasferimento di calore vicino agli elettrodi.
Ulteriori informazioni: Yahua He et al, Trasferimento di metallo liquido da un anodo a un catodo senza cortocircuito, Nature Chemical Engineering (2024). DOI:10.1038/s44286-024-00045-1
Informazioni sul giornale: Ingegneria chimica naturale
Fornito da FLEET
