“墨”上花开：协同氧化激发的液态金属分形（文末有视频）|Science Bulletin
“谁不知道熵概念，就不能被认为是科学上的文化人,将来谁不知道分形概念，也不能称为有知识。”物理学家惠勒曾如此去赞美分形。所谓分形,指的是具有以非整数维形式充填空间的形态特征。略显抽象的概念并不能阻挡我们和分形之间的距离。美丽的分形广泛存在于自然界和人体中。不管是曲折蜿蜒的海岸线，旁逸斜出的树枝，还是俊俏叠嶂的山峰，变幻万千的云彩，亦或是我们自身体内的血管和肺气管树，都是分形的具体表现形式。可以说，我们生活在一个分形的世界。
拥有自相似性的分形因为拥有美丽的图案而得到人们广泛地喜爱。除此之外，物理系统中的分形现象也已被屡次发现并得到有效利用。一般来说，分形背后的机制是多种多样的，包括黏性指进、扩散限制凝聚以及物态变化等。基于目前的机制分析，分形现象很难在液态金属中出现，这是因为其大的表面张力（γ>550 mN/m）和常温下几乎为零的蒸气压。近日，中国科学院理化技术研究所&清华大学联合团队基于液态金属的金属性，利用过氧化氢和基底间的协同氧化，在石墨板上方便快捷地实现了一种有趣的液态金属分形，相关成果已发表于Science Bulletin 2018年22期.
液态赋张力, 金属予神奇
本研究中所实现的分形图案的载体是镓基液态金属（Ga75.5In24.5），是一种在常温下即可呈现液态的金属。众所周知，液态是物质的存在形式之一，有着不可替代的作用。正是地球上液态水的存在，才孕育了生命的形成。液态时，物质拥有很多优异的性质，其中，表面张力是不可忽略的一点。只有在液态情况下，表面张力才可以起到很多重要作用。而本文所提到的液态金属拥有目前已知所有的液体中最大的表面张力（700 mN/m）。正是其巨大的表面张力，使得我们可以通过调节表面张力来驱动液态金属，从而实现很多有趣的界面现象。
更为重要的是，本研究所用的液体其本质是一类金属。其除了拥有流体赋予的高表面张力和优异的流动性外，还拥有典型的金属赋予的特性，比如高导电性、高导热性和金属性。利用镓基液态金属金属性较强的特点，通过氧化还原反应使镓基液态金属失去电子被氧化。被氧化的液态金属的表面张力会急剧减少，从而达到调控液态金属表面张力的作用，这种调控方式在一般流体中很难实现。
基于前述想法，科研人员将液态金属置于石墨板上，成功实现液态金属可以在石墨板上自发地铺展。现象背后的机理在于，液态金属和石墨板因为标准电极电势的差异，会自发地形成原电池。这个过程中，作为负极的液态金属丢失电子，表面被氧化，从而使表面张力变小，进而实现了液态金属在石墨板上的自发铺展[5]。这里正是利用了液态金属的金属性，通过引入石墨板，构成原电池，从而解决了液态金属因自身表面张力巨大，在电解液中通常以球形方式存在的问题，为下一步的分形演化奠定了基础。可以看到液态金属的自身性质在这里起到了十分重要的作用。正所谓：液态赋张力，金属予神奇。
协同共氧化, “墨”上终花开
前面已经提到，由于电化学氧化的作用，液态金属在石墨上不再保持拥有高表面张力状态的椭球形，而是呈现出被氧化后的圆饼状。此时，我们引入过氧化氢作为氧化剂，和石墨板协同作用共同氧化液态金属；最终，成功地实现了液态金属的分形。因为这种分形需要基底和过氧化氢共同氧化方可实现，故而被称之为协同氧化激发的液态金属分形。
实验过程中，只需滴加几滴过氧化氢溶液至液态金属上表面，液态金属分形现象便可发生（图1）。过氧化氢作为一种绿色氧化剂，可以高效地氧化液态金属。前面已经说到，氧化后的液态金属的表面张力会急剧下降，因而液态金属的表面会形成一种张力梯度，从而引起马拉高尼流动，使得液态金属快速铺展。动态铺展过程中，氧化应力起到主导性的作用。进一步地，氢氧化钠溶液会溶解液态金属表面的氧化膜，使液态金属有还原成椭球形的趋势，这种力被描述为还原力。氧化应力和还原力之间的竞争，是树枝状液态金属分形图案出现的重要原因。此外，依据通用的机理分析，我们预测液态金属分形现象在其他符合条件的基底上也可以被实现。这种基底需要可以与镓基合金形成原电池并且作为正极，使液态金属失去电子被氧化。实验结果证实，液态金属分形可以在铜板和镍板上实现。
图1 过氧化氢激发的枝状液态金属分形
实验中，对于不符合协同氧化条件的基底，包括玻璃、有机玻璃、镁板及钛板等，优美的拥有自相似特性的液态金属树枝状的分形图案不再出现，这进一步证实了协同氧化的重要性。这就是所谓“协同共氧化，墨上终花开”的物理内涵。
之前的研究已经发现，液体金属的分形可以通过施加电压来实现，其被称为电压驱动的液态金属分形。然而，外加电压和合适分布的电极是实现电压驱动的液态金属分形的必要条件。这种不方便性限制了液态金属分形的进一步发展和应用。因此，本研究所实现的协同氧化的液态金属分形，可以摆脱对电场的依赖，对于液态金属分形的应用具有显著的理论和实际意义。
因为极佳的可变形性，镓基液态金属在界面科学以及柔性机器等领域引起了研究者的广泛关注。在前期本课题组众多研究的基础上，本文实现的协同氧化的液态金属分形不仅展示了液态金属丰富有趣的界面现象，而且有助于我们加深对液态金属物理化学性质的进一步理解。同时，因为液态金属优异的导电和导热性，所实现的液态金属分形结构具有诸多潜在的应用。目前，基于这种独特且简易的协同氧化驱动的液态金属分形，一种自相似的液态金属天线正在构思制作。未来，在可重构柔性电子和柔性机器领域，更多重要的应用有望被陆续实现。
此外，我们应该注意到这种液态金属分形现象是典型的非平衡态热力学现象。在这项研究中，不同于传统的热力学物理系统，液态金属分形倾向于形成有序的树枝状结构。其背后的原因在于该系统是一个开放系统，可以与外界交换物质和能量。而生命系统则是一种典型的开放系统，从这种层面上说，液态金属有序分形系统的研究对于可演化的生命系统的探索具有一定的启示作用。电影《终结者》中的液态金属机器人引起了人们广泛的遐想,实现液态金属机器人也是柔性机器领域的一大梦想。因而，关于操纵液态金属研究的每一点进步都是值得鼓励的。目前，更多关于液态金属非平衡态热力学系统的研究正在进行。
液态金属分形过程
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Chen S, Wang L, Zhang Q, et al. Liquid metal fractals induced by synergistic oxidation. Science Bulletin, 2018, 63(22): 1513-1520
https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.10.008
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