理化所发现系列液态金属自组织斑图形成现象与演化机制
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从DNA到太阳系的轨道排列,自组织图案无处不在。自组织图案在物理学、生物学、地质学和化学等领域备受关注。非平衡系统会自发形成多种时空有序分布的斑图。以往报道的多数化学体系的自组织斑图均在溶液环境中形成。

近期,中国科学院理化技术研究所刘静与王倩团队,在研究镓基液态金属与固体金属膜表面的相互作用与反应问题时,首次揭示了一系列液态金属自组织斑图形成现象与演化机制。该研究构建的液态金属-固体金属非平衡扩散体系,开拓了自组织微观图案产生的新途径。上述关于金属表面斑图的基础认识,有望在未来的材料、光学、电子、半导体、能源及催化等领域促成新的应用。 

研究发现,液态金属在固体金属表面的扩散失稳可产生图灵斑图。1952年,艾伦·图灵提出,在非平衡条件下,两种成形素的反应扩散过程可以诱发斑点、条带、迷宫等一系列自组织斑图的形成。构建图灵系统有一些基本要求,即系统必须远离热力学平衡态,包含自催化或自阻滞过程,且阻滞子的扩散速率应远快于激活子,从而满足短程激活和长程抑制的要求。最简单的构造方法是选择两种扩散系数区别足够大的物质,但这在传统的化学溶液体系中很难实现。这是由于多数化学物质的扩散系数均在同一个数量级(~10-5 cm2s-1)。镓基液态金属可以与一系列固体金属发生溶解、合金化、反应、扩散等相互作用。同时,不同金属之间的扩散机制以及扩散激活能不同、扩散系数也存在本征区别。该团队提出了在液态金属-固体金属(GaX-Y)非平衡反应-扩散体系中获得迷宫、条带、斑点等稳态图灵图案的普适性机制,并以GaIn-Ag体系为例,进行了概念验证和理论研究,揭示了活化子In和阻滞子Ga的协同作用机制,阐释了反应物浓度和外界温度对斑图演化的调控机理。相关成果以Turing Instability of Liquid-Solid Metal Systems为题,在线发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。 

此外,该团队还发现液态金属在金膜表面出现的Liesegang现象。Liesegang斑图是指时空有序的周期性环带结构。环带的时空分布通常满足时间定律、宽度定律和间距定律。图案形成的特征:时间尺度通常是数天,空间尺度平均为数厘米。该工作发现了液态金属在金膜表面可以自组织形成时空有序分布的微米级Liesegang图案,并对其微观作用机制和调控机理进行了系统的试验研究和理论探究。在反应扩散、润湿铺展、氧化膜限制的协同作用下,反应产物通过在界面处的竞争形核行为,实现了斑图的自组织。该工作开启了液态金属与固体金属自组织反应扩散系统的研究,并对液态金属在印刷电子、柔性机器等领域中应用时面临的可靠性问题提出了新的研究策略。相关成果作为内封面故事,以Liesegang phenomenon of liquid metals on Au film为题,发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。 

研究工作得到国家自然科学基金委员会和北京市科学技术委员会的支持。 

论文链接: 1 https://doi.org/10.1002/adma.202309999

       2 https://doi.org/10.1002/adma.202209392

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液态金属-固体金属体系中出现的Liesegang环及Turing失稳现象

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液态金属-固体金属体系的斑图自组织过程

来源: 理化技术研究所