Transferência de metal líquido do ânodo para o cátodo sem curto-circuito
Figura 1. Convencionalmente, ânodos carregados positivamente devem entrar em curto-circuito quando são colocados em contato com um cátodo. Crédito:FROTA Pesquisadores da Universidade de Wollongong alcançaram um marco significativo no novo transporte de matéria mole ao demonstrar a transferência de metal líquido de um ânodo para um cátodo sem criar um curto-circuito, desafiando as expectativas convencionais. A equipe liderada pelo professor Xiaolin Wang revela um método onde ânodos de metal líquido (especificamente à base de gálio, metal líquido à temperatura ambiente) podem fluir em direção a cátodos com uma pequena corrente elétrica sem curto-circuito.
Os resultados, publicados na Nature Chemical Engineering no mês passado, desafia os princípios eletroquímicos convencionais e oferece perspectivas promissoras para o desenvolvimento de condutores elétricos de forma reconfigurável.
“As implicações desta pesquisa estendem-se a muitas aplicações potenciais”, diz o Prof Wang. "A transferência contínua de gotas de metal líquido e a controlabilidade da transferência abrem novos caminhos para a robótica suave e a engenharia de dispositivos."
Evitando curto-circuito
Convencionalmente, ânodos carregados positivamente devem entrar em curto-circuito quando entram em contato com um cátodo (ver Figura 1).
A nova abordagem permite que o metal líquido flua do ânodo para o cátodo sem causar tais interrupções elétricas (ver Figura 2). Figura 2. O curto-circuito é evitado em um circuito à medida que o ânodo de metal líquido flui em direção ao cátodo, circundando e depois transferindo para o cátodo. Crédito:FROTA No experimento, gotículas de metal líquido ligadas a um ânodo movem-se em direção ao cátodo devido à oxidação eletroquímica, uma vez que a oxidação eletroquímica diminui a tensão interfacial do metal.
Normalmente, um eletrodo sólido (por exemplo, fio de cobre) é inserido no metal líquido para aplicar a voltagem que impulsiona a oxidação eletroquímica da superfície metálica. As reações eletroquímicas ocorrem mais intensamente na extremidade do metal mais próxima do cátodo, criando um gradiente de tensão superficial (ou seja, um efeito Marangoni). O metal então migra em direção ao eletrodo oposto.
"Neste ponto, seria razoável esperar um curto-circuito à medida que o metal líquido completasse o circuito elétrico", diz o autor principal, Dr. Yahua He (UOW).
"No entanto, em nosso experimento, embora o metal se aproxime e envolva o contra-eletrodo, ele não o toca, portanto não há curto-circuito." O metal líquido continua a fluir em direção ao cátodo e rodeá-lo até que finalmente o metal se desprende completamente do ânodo e é transferido para o cátodo (ver Figura 3a). Figura 3. (a) Destacamento e transferência de uma gota de metal líquido. (b) Processo de desprendimento e transferência de duas gotículas equidistantes. (c) Destacamento e transferência de cinco gotículas equidistantes. (d) Não equidistante, cinco gotas. Crédito:FROTA Em resumo, o curto-circuito é evitado com sucesso e permite o desprendimento seletivo e a transferência simultânea de gotículas de metal líquido de um eletrodo para outro em meio aquoso. Uma gota pode ser selecionada para ser completamente separada de uma superfície metálica e simultaneamente transferida para outra superfície metálica sem curto-circuito.
A camada de bolha com espessura crítica de 250 µm desempenha um papel dominante para proteger o metal líquido de curto-circuito e facilitar o processo suave de desprendimento e transferência, enquanto os óxidos também podem evitar que o metal líquido entre em curto-circuito em solução diluída de NaOH (≤ 0,25 M) com liquidez reduzida.
Decompondo gota a gota
O processo é seletivo e depende da distância entre o cátodo e o metal líquido; apenas a gota de metal líquido mais próxima será destacada e transferida (Figura 3b – e).
Todos os ânodos de gotículas de metal líquido têm o mesmo potencial e, portanto, são todos levados a se mover em direção ao cátodo. No entanto, para gotículas dispostas equidistantemente (duas gotículas na Fig. 3b e cinco gotículas na Fig. 3c), apenas uma gotícula pode se separar e ser transferida.
Como mostrado na Figura 3b, duas gotículas estão em lados equidistantes do cátodo. Eles competem para se deformar e ambos se movem em direção ao cátodo. Neste exemplo, a gota esquerda chega primeiro ao cátodo, depois começa a rodeá-lo, enquanto a gota direita retrai-se para a sua posição inicial (um cenário em que o vencedor leva tudo). Como resultado, a gota esquerda se desprende completamente do ânodo e é simultaneamente transferida para o cátodo. A gota direita permanece na posição inicial e permanece presa ao fio de cobre.
Para gotículas dispostas de forma não equidistante na Figura 3d, apenas a gota mais próxima do cátodo se separa e transfere seletivamente. Assim, a gota transferida pode ser selecionada movendo o cátodo. Este método separa e transfere apenas uma gota de cada vez.
Além disso, depois de uma gota ser transferida para o cátodo, ela pode servir subsequentemente como um novo cátodo para separar e transferir outra gota. Esse recurso permite um processo de transferência contínuo para sistemas de metal líquido com múltiplas gotas.
O hidrogênio e o óxido de superfície fornecem proteção
Os mecanismos subjacentes por trás desse fenômeno envolvem bolhas de hidrogênio no cátodo, uma camada de óxido superficial ultrafina no metal líquido e um efeito de blindagem. Esses fatores evitam coletivamente o curto-circuito e facilitam o desprendimento seletivo e a transferência de gotículas de metal líquido.
Quando o metal se aproxima do cátodo, três fatores primários tornam-se importantes:1) bolhas de hidrogênio no cátodo, 2) a camada superficial de óxido no metal líquido e 3) efeito de blindagem, conforme mostrado na Figura 4a-c. Figura 4. Mecanismo subjacente:(a) Efeito bolha, (b) Barreira de óxido, (c) Efeito tela. (d) A interface quando LM envolve o cátodo. (e) Imagens laterais de bolhas na superfície do cátodo. (f) A espessura do BL em diferentes estágios aumenta com a tensão. (g) concentração de dBL versus NaOH. (h) Total de espécies de óxidos produzidas eletroquimicamente e tempo de recuperação. Crédito:FROTA Os dois primeiros fatores bloqueiam fisicamente o curto-circuito (interface ilustrada na Fig. 4d), enquanto o terceiro fator permite o desprendimento seletivo e o processo de transferência de gotículas. Isto é, quando uma gota de metal líquido envolve o cátodo, ela protege as outras gotas. Como resultado, outras gotículas encerram o processo de oxidação e retraem para suas posições iniciais.
Transferência contínua
A transferência contínua de gotículas de metal líquido para frente e para trás pode ser realizada invertendo a polaridade dos eletrodos. Figura 5. (a) Transferência contínua de vaivém por meio da reversão dos eletrodos. (b) Fio entre eletrodos para controlar a posição de transferência. (c) Aplicação potencial de LMs em biônica:'tentáculos' líquidos agarrando fios metálicos umedecidos com LM, (d) Inibição de contato dos tentáculos em contato uns com os outros. (e) Tentáculos perseguem o cátodo em movimento; deformação e posição controláveis pela posição do cátodo. Crédito:FROTA Conforme mostrado na Figura 5a, quando os eletrodos são invertidos após o metal líquido ter sido completamente transferido para o cátodo, o metal líquido volta para a posição inicial. Além disso, a posição de transferência é controlável colocando um fio de cobre entre os eletrodos, conforme mostrado na Figura 5b.
Quando o fio de cobre é molhado pelo LMD, ele se funde com o fio em menos tempo em comparação com o fio metálico não molhado. Então, o LMD pode facilmente agarrar o fio e puxá-lo de volta à posição original, como tentáculos líquidos (Figura 5c).
Quando dois tentáculos LM são dispostos para chegar ao cátodo ao mesmo tempo, colocando o cátodo mais próximo da gota direita enquanto eleva ligeiramente o lado esquerdo da placa de Petri, uma "inibição de contato" análoga é observada na Figura 5d.
Quando os LMDs se encontram no cátodo, eles continuam fluindo de ambos os ânodos para o cátodo único. Quando um LMD se rompe com seu ânodo, o outro se expande rapidamente por meio da oxidação. Além disso, os tentáculos do LM navegarão em direção ao cátodo móvel em busca de “energia”, análogo ao fenômeno biológico quimiotaxia. O cátodo atrai os LMDs devido aos gradientes da tensão interfacial.
Os tentáculos LM poderiam até virar para seguir o cátodo em direção à fonte de energia, como mostrado na Figura 5e. Os tentáculos LM são capazes de entrar em contato ou separar-se movendo o cátodo. Crédito:FLEET Aplicativos
Tal manipulação pode expandir estratégias úteis para metais líquidos como condutores de forma reconfigurável para dispositivos e atuadores para robótica leve.
Além disso, evitar curto-circuitos tem implicações para a engenharia eletroquímica, tais como o impacto pronunciado no transporte convectivo de espécies eletroquimicamente ativas, bem como na transferência de calor perto dos eletrodos.
Esta pesquisa não apenas desafia os princípios eletroquímicos convencionais, mas também oferece perspectivas promissoras para o desenvolvimento de condutores e atuadores com forma reconfigurável. Evitar curto-circuitos tem implicações significativas para a engenharia eletroquímica, destacando o profundo impacto no transporte convectivo de espécies eletroquimicamente ativas e na transferência de calor perto dos eletrodos.
