科学家提出根据液态金属小球的放电现象可视化计划，为开发液态金属赋能的智能资料系统供给新平台

近来，来自澳大利亚新南威尔士大学的一支科研团队和合作者， 提出一种依据液态金属小球的放电现象可视化计划，为开发液态金属智能资料和开发液态金属赋能的智能体系供给了新平台。

（来历：Advanced Materials）

研讨中，运用粉末资料关于液态金属经过天然氧化后外表的杰出附着性，课题组在液态镓铟合金（EGaIn，eutectic gallium indium）液滴上包裹一层铜掺杂的硫化锌荧光颗粒，借此构成一种液态金属小球。

当相邻液态金属小球之间存在满意大的电压时，会一起产生气体放电现象和电致发光效应，然后构成一个发蓝光的“像素”。

经过对液态金属小球进行一维或二维的阵列式排布，课题组运用离散化和像素化的规划计划，完结了放电途径在不同阵列中的可视化。

（来历：Advanced Materials）

在可控放电效应的协助之下，研讨人员还规划了不同品种的液态金属小球阵列逻辑运算门，完结了以光为输出信号的逻辑运算。

此外， 他们还将液态金属小球封装在柔性基体中，构建出一种可以调控放电发光进程的体系，展现了其在柔性器材和智能传感器等运用中的潜力。

一起，本次成果在个性化可重构显现技能中也具有必定的运用远景。

现在，课题组正致力于将该计划用于柔性体系、以及用于集成性更高的功用体系之中。

（来历： Advanced Materials ）

从“天空撕裂者”说起

此前，包括该团队在内的课题组现已开始运用这类内部为液态金属、外部为功用半导体颗粒的核壳结构来作为新式传感资料去制作气体传感器材。

这类传感器的中心部分是一层层自发堆叠的液态金属小球阵列。在制作传感器时，该团队发现尽管运用的是相同的办法，可是不同器材的气体检测作用或许天差地别。

课题组一向置疑这是器材中纳米液态金属小球间的触摸情况差异引起的，可是一向未能经过试验进行验证。

尽管人们可以经过外表检测、或电路部件的开或关来判别电路中有无电流经过，然而对具有杂乱导电网络体系中电流的检测和可视化却十分困难。因而，该团队也一向在寻觅真实可行的可视化计划。

后来，天然界中的放电现象给了他们创意。闪电，是大气中带电云层击穿空气而产生的大规模放电现象，其产生电压可高达上亿伏特，瞬时电流可以抵达或超越上万安培。

经过长久以来对这种奥秘、耀眼、少纵即逝的“天空撕裂者”的不断求索，人类对闪电和放电现象的认知阅历了从望而生畏、到科学了解、再到企图驾御的过渡。

例如，特斯拉线圈的创造使得“人工闪电”的产生成为或许。顺着这条思路，科学家们一步一步地构思和试验探索，终究完结了在试验室中制作“闪电”并对其途径进行了有用调控。

需求指出的是，当体系中某一条途径或多条途径产生放电现象时，电压作用有或许在短时间内改动液态金属的外表张力，然后使液滴产生纤细的部分形状的往复改变。

这一往复改变有或许使得下一次放电时该途径的放电阻力产生改变，然后影响整个阵列中放电途径的挑选。

在此效应之下，当时体系的放电途径呈现出高度动态的特征，这也是运用刚性金属阵列难以完结的效应。

而这一特性也使得该课题组将当时计划用于研讨其他杂乱体系动态进程成为或许。

关于杂乱体系的电流传递进程来说，它包括着资料性质、触摸条件、以及气体环境等要害信息，因而对其进行动态监测和了解十分重要。

所以在本次研讨中，他们将上述战略用于模仿导电阵列中“缺点”的影响、模仿可视化颗粒体系、模仿柔性资料、以及模仿其他动态体系中的导电网络等。

借此为构建智能呼应资料、 构建可视化体系、以及构建传感检测体系，供给了一种依据放电效应的新思路。

（来历：Advanced Materials）

在试验室里造“闪电”

该团队表明，在试验室中制作途径可控的“闪电”，看似简略实则不易。其间一项应战就是怎么使液态金属小球阵列中很多小球间的间隔保持共同。

这首要需求液态金属小球的尺度有必要得到满意准确的操控。研讨中，液态金属小球是经过打针泵挤出的方法来得到液滴，再将液滴在硫化锌颗粒上翻滚构成均匀严密的颗粒包裹层打造而来。

这与人们在做汤圆时，会在搓好的汤圆上裹一层粉具有殊途同归之处。

试验中，他们曾测验过多种颗粒尺度，而所有这些比芝麻绿豆还小的液态金属“汤圆”都是论文榜首作者俞若涵采纳半手艺方法完结的。

俞若涵曾自嘲说，这个项目在无形中把她培育成了一个超卓的汤圆师傅。

此外，每次改动液态金属小球的巨细，放置小球阵列的基座，也需求进行规划调整。

一起，怎么用高速摄像机不计其数次捕捉少纵即逝的放电进程，既是技能活又是体力活。

另一项应战是当时试验体系中心驱动部件——电压产生器的选用。考虑到普适性，该团队的大部分试验都规划在空气环境下进行。

依据 Paschen 规律，空气的高介电常数决议了在空气介质产生放电需求较高的击穿电压。

不管是从试验本钱、仍是体系杂乱度和安全性来说，几千伏特电压设备的运用都是他们想竭力防止的。

这时，小时候玩过打火机电火花打火器的阅历让研讨人员灵光一现并想到：能不能用它来作为电压产生器呢？

在进行测验之后，他们得到了必定的成果。 这种看似不起眼的压电陶瓷点火器，实际上可以瞬时产生数千伏的电压脉冲，很好地满意了试验需求。

后来，在构建液态金属小球阵列时，他们采纳一种“像素化”的放电途径显现形式。

得益于液态金属杰出的导电特性，放电进程中液态金属小球的植入不会构成电压下降，因而电压下降首要产生在小球之间的空气空隙处。

也就是说这种像素化的可视化计划，能在不添加驱动电压的前提下，显著地增大可视化的放电间隔。至此，本次课题也迎来了成功的曙光。

终究，相关论文以《液体金属小球阵列中的动态放电途径》（Dynamic electric discharge paths in liquid metal marble arrays）为题发在 Advanced Materials[1]。

图 | 相关论文（来历：Advanced Materials）

新南威尔士大学博士生俞若涵是榜首作者，新南威尔士大学的 Guangzhao Mao 教授和汤剑波教授、以及澳大利亚悉尼大学 的库罗什·卡兰塔尔-扎德（Kourosh Kalantar-Zadeh）教授担任一起通 讯作者。

图 | 汤剑波（来历：资料图）

通讯作者行将于今秋回国任教

谈及液态金属小球的阵列安稳性，研讨人员表明液态金属小球由镓铟合金和表层掩盖的铜掺杂硫化锌颗粒组成。在空气中，液态镓铟合金外表会自发构成一层纳米厚度的自限性氧化膜。

这层薄薄的氧化膜使硫化锌颗粒可以严密而牢固地附着在其外表，构成一层颗粒物“盔甲”，保证小球在试验制备和放电等进程中保持安稳。

那么，其安稳功能是否与直径有关？课题组表明液态金属小球直径很要害。

在本研讨中，为了制备尺度和形状共同的液态金属小球， 他们将液态金属液滴的直径定为 1.5mm。

这是由于试验所用镓铟合金液态金属的毛细长度约为 3.2mm，小于此毛细长度的液滴会自发构成挨近球形的形状，其在搬运、摆放、放电等操作进程中不会产生崩塌和显着变形。

这样一来，液态金属弹珠阵列中很多小球之间可以保持安稳且共同的距离，一起这关于放电途径的调控也尤为重要。

那么，其他发光资料是否也具有相似作用？该团队表明此次研讨运用的是发蓝光的铜掺杂硫化锌颗粒。其他电致发光资料原则上也可以作为荧光资料来调理可视化作用，但前提条件是要保证其颗粒可以安稳附着在液态金属外表。

现在，研讨人员正在依据这项作业开发液态金属智能资料和液态金属赋能的智能体系。在致力于智能化规划的一起，也将向着柔性化和集成化方向尽力。

此外，汤剑波将于 2024 年 10 月回国加盟西湖大学工学院担任助理教授（特聘研讨员），现在正在招聘博士生、博士后以及科研助理数名，感兴趣可拜访链接 https://www.westlake.edu.cn/faculty/jianbo-tang.html

参考资料：

1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408933、

运营/排版：何晨龙

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