液態金屬表面非常規法拉第波及其電學切換效應

　　近日，中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合小組，在美國物理學會期刊Physical Review Fluids上首次報道了由振動誘發的液態金屬表面法拉第波及液滴懸浮效應，論文題為《液態金屬液池上激發的可電學切換的表面波及液滴跳躍效應》(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)。

　　液體隨容器垂直上下振動時，當驅動加速度超過某一臨界值，液體表面會突然變得極不穩定，這會誘發出非線性亞諧駐波，該現象被稱為法拉第波（Faraday Wave），這是經典的流體力學不穩定難題。研究法拉第波的表面波模態和形狀對于發展水動力系統的復雜非線性動力學及模態成形理論有著十分重要的科學意義，如Rayleigh-Benard對流、Taylor-Couette流以及非線性光學等。更為有趣的是，豎直振動的液面可作為一個柔性基底來承載同種流體的懸浮液滴，上下兩部分流體不融合的機理在于其間存在一層極薄的流動介質層，這個薄層提供了一定的托舉力從而避免了上下流體間直接接觸（Reynolds潤滑理論）。此外，由于液滴振動激發的波與液滴自身的跳躍具有相互耦合作用，這種流體動力學意義上的“波粒二象性”能夠使液滴表現出匪夷所思的量子力學特性。由于上述因素，法拉第波體系近年來引起了科學界的極大關注。

　　制約法拉第波振動模態的參數很多，主要有：驅動條件（頻率、加速度），邊界條件（容器形狀、流體meniscus）及工作流體性質等。其中，流體密度、粘度、表面張力等具有根本性影響。傳統上針對法拉第波及懸浮液滴的研究多在常規流體如水和油類進行，這主要因其具有較為適中的密度和較小的表面張力。與此不同的是，液態金屬作為一大類新興功能流體材料，其密度遠高于常規流體（水的6倍），導電性強，表面張力極大（約為水的10倍），重力和表面張力的綜合作用極易使上下布置的兩部分液態金屬立刻融合。迄今為止，學術界從未有過針對液態金屬這一特殊流體對振動響應的相關研究，此次發現揭開了豐富的液態金屬法拉第波現象，如顯著區別于以往的表面波特性、懸浮液滴效應，以及無法在非導電流體上實現的電控切換效應等，由此打開了諸多新的探索和應用空間。

　　實驗發現，通過調節驅動頻率和加速度，液態金屬液池表面會呈現出一系列高度對稱的規則表面波圖案（圖1a）。隨著驅動頻率的增大，表面波圖案變得更加復雜，圖案折疊數總體上呈一個增長趨勢（圖1b）。然而，不同頻率下也可以形成相同折疊數的圖案，只是在圖案細節上各有不同（圖1b對應1c彩色方框）。文章深入探究了液態金屬表面波狀態與驅動參數之間的定量關系，指出了表面波模態的穩定工況范圍。這些在液態金屬表面激發的一系列高度對稱的表面波圖案，以往從未在單一的傳統流體系統中被觀測過。主要原因在于液態金屬極大的表面張力，會使其耗散長度遠高于傳統流體，因此表面波受流體邊界形狀（meniscus）的影響很大。實驗觀測到的表面波實際上是振動激發的非線性駐波與邊界發射波相互疊加的結果。

　　進一步地，研究人員研究了金屬液滴在其液池上的懸浮行為。對于傳統流體而言，就懸浮液滴的研究只能限于臨界法拉第加速度以下。一旦驅動加速度高于法拉第臨界值，整個液面會突然出現紊亂而不再能承載懸浮液滴。而液態金屬體系由于能形成高度規則的圖案，即使在法拉第臨界加速度以上，金屬液滴仍能十分穩定地懸浮于液面上。同時，液滴會被鎖定在表面波的波腹位置，并在液態金屬液滴振動到最低點時與液面發生碰撞從而獲得一個豎直方向的穩定跳躍能量，位于相鄰波腹點的液滴跳躍相位則相反（圖2a）。放置多個液滴在液態金屬液面上，液滴由于波動液面對其的鎖定作用，會自動組裝成表面波圖案對應的類晶體結構（圖2b）。論文還探究了能夠穩定懸浮的液滴尺寸范圍，發現對于更高的頻率，能夠懸浮的液滴直徑范圍會逐步減小（圖2c）。

　　不同于傳統非導電流體的是，液態金屬得益于自身金屬材料優良的導電性，使其能夠通過外加電場來靈活改變自身性質。作者們由此提出了一種通過外加電場靈活快速調控液態金屬表面波狀態的方法（圖3）。分析液態金屬的電毛細曲線發現，只需一個很小的外加電壓（5 V以下），即能迅速使液態金屬的表面張力發生顯著改變，而流體表面張力對于法拉第波臨界值影響極大，進而決定表面波模態。值得注意的是，通過外加電場調節表面波模態是一個可逆的過程，當撤去外加電場后，表面波能夠自動恢復到其自身原本的狀態。因而對于液態金屬這一特殊流體，利用外加電場來靈活切換表面波狀態使其具有更高的可控性，對于研究法拉第波不穩定性、模態形成和模態間轉換問題等具有重要意義。

　　總的說來，液態金屬法拉第波體系中呈現出十分豐富的表面波模式，能夠借助調節外界驅動參數來按需激發，并能通過外加電場實現快速有效的調節，同時表面懸浮液滴可以自組裝成對應的圖案結構，因此該系統十分適合于研究圖形成形、模態變化和液滴自組裝理論。其次，懸浮的液態金屬液滴具有更高的自由度，不受基底材料性質的影響，對于研究液態金屬機器人、智能馬達、柔性泵、血管機器人等具有較為重要的科學意義和應用價值。該項工作建立的利用振動實現液滴懸浮的方法也為研究液態金屬在柔性基底上的運動行為提供了一種嶄新的非接觸式的技術途徑，相比于外加電場、改變化學場等傳統方法，施加振動并不會改變液態金屬和溶液體系的化學組分和化學性質，因而該方法具有極高的穩定性和可行性。此外，由于振動所引發的法拉第不穩定性與流體本身的性質關系巨大，因而對于液態金屬這一特殊流體對振動響應的探究，對于完善流體力學的相關科學體系具有十分深刻的基礎意義。

　　以上研究得到中科院院長基金、前沿科學項目以及國家自然科學基金重點項目資助。