近期，理化所低温工程学院重点实验室发现系列有重要科学意义的液态金属基础流体效应和现象，并在几类新型芯片冷却与热能捕获技术研究上取得关键进展。相应研究揭示了液态金属丰富的物理学图景和应用价值。
在发表于《Applied Physics Letters》上的题为“Liquid metal patterns induced by electric capillary force”（108: 161602，2016）的论文中，研究小组首次发现了一类有趣的液态金属褶皱波效应（图1）：浸没于环状石墨电极之间电解液中的液态金属，可在电磁场诱发下形成各式各样对称的褶皱波图案。其机理在于，外加电场改变了液态金属表面的电荷分布，继而形成表面张力梯度差，由此导致的电毛细力会使得液态金属发生对称形变。结合石墨电极与永磁体作用，液态金属可因洛伦兹力发生旋转，由此形成更为丰富的褶皱图案。这一发现扩展了经典流体波效应的既有研究范畴。
在《Advanced Materials Interfaces》上发表的题为“The rebound motion of liquid metal droplet on flexible micro/nano needle forest”（1600008，2016）的论文中，研究小组报道了液态金属液滴在由柔性微/纳米尺度针状丛林构成的表面上的撞击、接触、反弹、扩展或收缩行为，发现在特定针尖长径比情况下，金属液滴可发生无任何黏附性的全反弹现象。该项研究为今后采用微/纳尺度结构实现液态金属的高效输运或黏附提供了新思路。
在《Science China Technological Sciences》发表的研究“Alternating electric field actuated oscillating behavior of liquid metal and its application”（59: 597-603, 2016; 封面文章）中，作者们揭示了处于电解质溶液中的金属液滴在交变电场作用下的往复运动规律。实验发现，在特定电场频率下，液滴自身运动会出现强烈共振现象；同时，在交变电场作用下，电解质溶液的电解以及由此产生的氢气得以有效抑制。此种液态金属泵更能满足实际需要，且结构简单、功耗低，在电解质溶液乃至血液泵送、芯片冷却、流体混合等场合有重要用途。
在《Science China Technological Sciences》上的研究论文“Electrically driven chip cooling device using hybrid coolants of liquid metal and aqueous solution”（59: 301, 2015, 封面文章）中，作者们展示了一种全新原理的双流体芯片散热器，其同时集液态金属高导热性与水溶液高热容性优势于一体，只需极低电压即可驱动液态金属及周边水溶液循环往复地流动，由此将发热对象表面热量由近及远输送出去，功耗极低。比如，该器件在3W/cm2热流密度下可有效维持热源温度低于55℃，驱动功率仅需0.8W。这种纯电控驱动的流体冷却器无需外部机械泵甚至磁体，即实现了双重流体的同时高效泵送，结构相当紧凑，可在笔记本电脑、手机、LED、激光等光电器件冷却乃至更多能量转换与利用场合发挥作用。
进一步地，通过特殊的双流体设计，还可实现小温差驱动下的芯片自动冷却与能量捕获。在发表于《Applied Physics Letters》上的题为 “A volatile fluid assisted thermo-pneumatic liquid metal energy harvester”（108: 023903，2016）的研究论文中，作者们证实，对于封装于循环通道内的液态金属与低沸点工质如异戊烷进行加热，可克服重力实现复合流体的闭式循环往复运动，这种自驱动甚至可在10℃左右的小温差下即可运行。相应装置结构紧凑，有很高自适应能力。该技术在太阳能、低品位热量捕获以及高热流密度芯片冷却领域有重要用途。
以上研究部分得到中国科学院院长基金资助。
图1 几类典型的液态金属对称褶皱波图案: (A) 密集型褶皱环；(B) 类玉米截面的褶皱环；(C) 五等分圆环；(D) 四等分圆环；(E) 三等分圆环；(F) 内外双环；(G) 表面密集褶皱内外双环；(H) 中心环外沿为三角形的内外双环。(A-H) 上半部为实验图，下半部为示意图。
图2 金属液滴撞击三类不同长径比微/纳结构针尖丛表面的动态过程
图3 期刊封面显示的交变流体驱动现象及金属液滴在交变电场作用下的往复运动情形
图4 期刊封面故事及电极阵列控制下的液态金属水溶液双流体芯片冷却器
图5 小温差驱动下的液态金属与低沸点工质双流体自循环系统及其工作性能
论文链接：
1. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/108/16/10.1063/1.4947440
2. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.201600008/abstract
3. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11431-016-6026-1
4. http://link.springer.com/article/10.1007/s11431-015-5943-8
5. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/108/2/10.1063/1.4939829
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