摘要
镓基液态金属是一种新兴的多能性材料，近年来受到越来越多研究者的关注。其应用领域涵盖热管理，电子工程，催化合成，生物医学，柔性机器等。除了同时具备液体的流动性及金属的高传导性，镓基液态金属还具有丰富的表面和界面特性，如氧化粘附、反应润湿和外场刺激下的大尺度形变、驱动等。最近，越来越多镓基液态金属的表/界面效应被发现，其中的许多已经成功被引入到实际应用中。然而，关于液态金属的界面研究尚在起步阶段，有许多界面效应尚未被发现;而对于已发现的界面现象，有许多概念和机理尚未阐明。对液态金属的表/界面现象深入系统的研究，具有显著的学术意义和应用价值。本文针对液态金属的表/界面行为，从液态金属表面膜生成导致的反常润湿作用和表面生色现象，以及液态金属离子释出导致的抗菌活性这几个方面展开了探索和研究: 1.空气环境下镓基液态金属具有氧化膜，其表面张力以及润湿作用相比常规液体更具复杂性。针对文献中测试结果和相关论点的不一致性，本文讨论了氧化膜存在情况下，液态金属表面张力的作用机制和等效表面张力的概念。并通过悬滴法，滴重法，薄板法，平板间液滴压力法测试了共晶镓铟合金(EGaIn)的表面张力。相比不同文献中表面张力数值的差异性，本文通过不同测试方法得到的结果之间具有较好的一致性，确定了EGaIn的等效表面张力在700mN/m左右。本文还测试了液态金属在不同基底上的接触角以及滚动角。根据液态金属在不同基底上接触角数值的趋同性以及其与液态金属体积的相关性，提出空气环境下液态金属对固体的润湿作用类似于液体弹珠，固体表面液态金属的形状主要受重力和表面张力的平衡关系支配。同时，通过统计液态金属的滚动角随接触角的变化趋势，澄清了液态金属在固体上的接触角和液态金属对固体的粘附性之间的关系。 2.研究表明，通过混合液态金属与固体金属颗粒制备而成的液态金属浆料具有良好的应用前景。在此基础上，本文进一步探讨了除金属键润湿外，液态金属润湿固体金属粉末的另一种机制，即氧化润湿效应。通过镍颗粒与液态金属之间的非金属键润湿以及盐酸蒸汽下的对比实验，确认了液态金属对固体颗粒的氧化润湿机制，并进一步地通过液态金属对石英颗粒的氧化润湿，制备了可逆液态金属浆料。本文对上述液态金属浆料进行了导电性、流变性等基本的表征，并讨论了液态金属浆料的共性问题，如液态金属浆料的内部结构以及对固体的粘附特性等。 3.发现了与液态金属氧化膜生成有关的液态金属着色现象。本文对现象进行了详细的描述并对其机理展开了深入的研究。研究证实，通过改变HCl/CuCl2溶液中组分的浓度，可以调控液态金属表面膜的生成，从而影响液态金属对表面所生成铜颗粒的金属键润湿，使液态金属表面在银白色和黑色之间转换。通过在酸性溶液中施加阳极极化电压，能够在液态金属表面生成厚度在可见光波长尺度的多孔氧化膜，从而由薄膜干涉机制产生颜色变化。在含有电解液、铝箔、液态金属和石墨基底的复杂反应体系中，液态金属表面会生成不规则的氧化膜。根据反应的程度的不同，在表面产生能够散射入射光的金色氧化膜和吸收光的黑色多孔液态金属.氧化膜复合结构。 4.通过氧化润湿，将液态金属喷涂在PVC片上制成了液态金属薄膜，以此研究了液态金属对微生物的影响，发现了液态金属的表面抗菌效应，并对抗菌机制进行了系统的研究。在液态金属表面离子的释出和水合反应的共同作用下，液态金属相比能够释放相当浓度的镓盐具有更显著的抗菌活性。此研究内容扩展了液态金属涂覆层的应用场景，并对液态金属研究与生物学研究的学科交叉起到了推动作用。
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