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近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)聯(lián)合小組，在美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊Physical Review Fluids上首次報(bào)道了由振動(dòng)誘發(fā)的液態(tài)金屬表面法拉第波及液滴懸浮效應(yīng)，論文題為《液態(tài)金屬液池上激發(fā)的可電學(xué)切換的表面波及液滴跳躍效應(yīng)》(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(dòng)時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)加速度超過(guò)某一臨界值，液體表面會(huì)突然變得極不穩(wěn)定，這會(huì)誘發(fā)出非線(xiàn)性亞諧駐波，該現(xiàn)象被稱(chēng)為法拉第波（Faraday Wave），這是經(jīng)典的流體力學(xué)不穩(wěn)定難題。研究法拉第波的表面波模態(tài)和形狀對(duì)于發(fā)展水動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)及模態(tài)成形理論有著十分重要的科學(xué)意義，如Rayleigh-Benard對(duì)流、Taylor-Couette流以及非線(xiàn)性光學(xué)等。更為有趣的是，豎直振動(dòng)的液面可作為一個(gè)柔性基底來(lái)承載同種流體的懸浮液滴，上下兩部分流體不融合的機(jī)理在于其間存在一層極薄的流動(dòng)介質(zhì)層，這個(gè)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(rùn)滑理論）。此外，由于液滴振動(dòng)激發(fā)的波與液滴自身的跳躍具有相互耦合作用，這種流體動(dòng)力學(xué)意義上的“波粒二象性”能夠使液滴表現(xiàn)出匪夷所思的量子力學(xué)特性。由于上述因素，法拉第波體系近年來(lái)引起了科學(xué)界的極大關(guān)注。

制約法拉第波振動(dòng)模態(tài)的參數(shù)很多，主要有：驅(qū)動(dòng)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(zhì)等。其中，流體密度、粘度、表面張力等具有根本性影響。傳統(tǒng)上針對(duì)法拉第波及懸浮液滴的研究多在常規(guī)流體如水和油類(lèi)進(jìn)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(tài)金屬作為一大類(lèi)新興功能流體材料，其密度遠(yuǎn)高于常規(guī)流體（水的6倍），導(dǎo)電性強(qiáng)，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(tài)金屬立刻融合。迄今為止，學(xué)術(shù)界從未有過(guò)針對(duì)液態(tài)金屬這一特殊流體對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的相關(guān)研究，此次發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了豐富的液態(tài)金屬法拉第波現(xiàn)象，如顯著區(qū)別于以往的表面波特性、懸浮液滴效應(yīng)，以及無(wú)法在非導(dǎo)電流體上實(shí)現(xiàn)的電控切換效應(yīng)等，由此打開(kāi)了諸多新的探索和應(yīng)用空間。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率和加速度，液態(tài)金屬液池表面會(huì)呈現(xiàn)出一系列高度對(duì)稱(chēng)的規(guī)則表面波圖案（圖1a）。隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增大，表面波圖案變得更加復(fù)雜，圖案折疊數(shù)總體上呈一個(gè)增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖1b）。然而，不同頻率下也可以形成相同折疊數(shù)的圖案，只是在圖案細(xì)節(jié)上各有不同（圖1b對(duì)應(yīng)1c彩色方框）。文章深入探究了液態(tài)金屬表面波狀態(tài)與驅(qū)動(dòng)參數(shù)之間的定量關(guān)系，指出了表面波模態(tài)的穩(wěn)定工況范圍。這些在液態(tài)金屬表面激發(fā)的一系列高度對(duì)稱(chēng)的表面波圖案，以往從未在單一的傳統(tǒng)流體系統(tǒng)中被觀(guān)測(cè)過(guò)。主要原因在于液態(tài)金屬極大的表面張力，會(huì)使其耗散長(zhǎng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)流體，因此表面波受流體邊界形狀（meniscus）的影響很大。實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的表面波實(shí)際上是振動(dòng)激發(fā)的非線(xiàn)性駐波與邊界發(fā)射波相互疊加的結(jié)果。

進(jìn)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(duì)于傳統(tǒng)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(qū)動(dòng)加速度高于法拉第臨界值，整個(gè)液面會(huì)突然出現(xiàn)紊亂而不再能承載懸浮液滴。而液態(tài)金屬體系由于能形成高度規(guī)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(wěn)定地懸浮于液面上。同時(shí)，液滴會(huì)被鎖定在表面波的波腹位置，并在液態(tài)金屬液滴振動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)與液面發(fā)生碰撞從而獲得一個(gè)豎直方向的穩(wěn)定跳躍能量，位于相鄰波腹點(diǎn)的液滴跳躍相位則相反（圖2a）。放置多個(gè)液滴在液態(tài)金屬液面上，液滴由于波動(dòng)液面對(duì)其的鎖定作用，會(huì)自動(dòng)組裝成表面波圖案對(duì)應(yīng)的類(lèi)晶體結(jié)構(gòu)（圖2b）。論文還探究了能夠穩(wěn)定懸浮的液滴尺寸范圍，發(fā)現(xiàn)對(duì)于更高的頻率，能夠懸浮的液滴直徑范圍會(huì)逐步減小（圖2c）。

圖1.(a)高度對(duì)稱(chēng)的規(guī)則表面波圖案，折疊對(duì)稱(chēng)數(shù)N從2到10；(b)不同驅(qū)動(dòng)頻率下的表面波圖案形狀匯總；(c)四組具有相同對(duì)稱(chēng)折疊數(shù)的表面波圖案，N分別對(duì)應(yīng)于5-8

圖2.(a)懸浮液態(tài)金屬液滴的側(cè)視圖；(b)多個(gè)液態(tài)金屬液滴自組裝為對(duì)應(yīng)的表面波圖案（N=3-8）；(c)不同驅(qū)動(dòng)頻率下能夠懸浮的液滴直徑范圍（藍(lán)色區(qū)域）

不同于傳統(tǒng)非導(dǎo)電流體的是，液態(tài)金屬得益于自身金屬材料優(yōu)良的導(dǎo)電性，使其能夠通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)靈活改變自身性質(zhì)。作者們由此提出了一種通過(guò)外加電場(chǎng)靈活快速調(diào)控液態(tài)金屬表面波狀態(tài)的方法（圖3）。分析液態(tài)金屬的電毛細(xì)曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，只需一個(gè)很小的外加電壓（5 V以下），即能迅速使液態(tài)金屬的表面張力發(fā)生顯著改變，而流體表面張力對(duì)于法拉第波臨界值影響極大，進(jìn)而決定表面波模態(tài)。值得注意的是，通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)節(jié)表面波模態(tài)是一個(gè)可逆的過(guò)程，當(dāng)撤去外加電場(chǎng)后，表面波能夠自動(dòng)恢復(fù)到其自身原本的狀態(tài)。因而對(duì)于液態(tài)金屬這一特殊流體，利用外加電場(chǎng)來(lái)靈活切換表面波狀態(tài)使其具有更高的可控性，對(duì)于研究法拉第波不穩(wěn)定性、模態(tài)形成和模態(tài)間轉(zhuǎn)換問(wèn)題等具有重要意義。

總的說(shuō)來(lái)，液態(tài)金屬法拉第波體系中呈現(xiàn)出十分豐富的表面波模式，能夠借助調(diào)節(jié)外界驅(qū)動(dòng)參數(shù)來(lái)按需激發(fā)，并能通過(guò)外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速有效的調(diào)節(jié)，同時(shí)表面懸浮液滴可以自組裝成對(duì)應(yīng)的圖案結(jié)構(gòu)，因此該系統(tǒng)十分適合于研究圖形成形、模態(tài)變化和液滴自組裝理論。其次，懸浮的液態(tài)金屬液滴具有更高的自由度，不受基底材料性質(zhì)的影響，對(duì)于研究液態(tài)金屬機(jī)器人、智能馬達(dá)、柔性泵、血管機(jī)器人等具有較為重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。該項(xiàng)工作建立的利用振動(dòng)實(shí)現(xiàn)液滴懸浮的方法也為研究液態(tài)金屬在柔性基底上的運(yùn)動(dòng)行為提供了一種嶄新的非接觸式的技術(shù)途徑，相比于外加電場(chǎng)、改變化學(xué)場(chǎng)等傳統(tǒng)方法，施加振動(dòng)并不會(huì)改變液態(tài)金屬和溶液體系的化學(xué)組分和化學(xué)性質(zhì)，因而該方法具有極高的穩(wěn)定性和可行性。此外，由于振動(dòng)所引發(fā)的法拉第不穩(wěn)定性與流體本身的性質(zhì)關(guān)系巨大，因而對(duì)于液態(tài)金屬這一特殊流體對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的探究，對(duì)于完善流體力學(xué)的相關(guān)科學(xué)體系具有十分深刻的基礎(chǔ)意義。

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