Contrôle des flux de métal liquide à température ambiante

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont démontré une technique qui leur permet de produire des flux de métal liquide à température ambiante. En appliquant une basse tension au métal liquide, les chercheurs ont pu régler sa tension superficielle sur au moins trois ordres de grandeur.

«Les liquides veulent former des gouttelettes, car cela abaisse leur énergie de surface», explique Michael Dickey, professeur de génie chimique et biomoléculaire à NC State et co-auteur correspondant de l’étude. « Et c’est particulièrement vrai pour les métaux liquides, car ils ont une tension superficielle bien plus élevée que les autres liquides. »

La tension superficielle est mesurée en unités de millinewtons par mètre. La plupart des liquides, tels que l’essence ou l’eau, ont des valeurs de tension superficielle comprises entre 20 et 72 millinewtons par mètre. Les alliages de gallium, qui ont été utilisés dans l’étude NC State, ont une tension superficielle d’au moins 500 millinewtons par mètre.

«Nous pouvons réduire la tension superficielle de 500 à 0,1 en appliquant moins d’un volt», explique Minyung Song, qui a récemment soutenu son doctorat. à NC State et est le premier auteur de l’article. « Et cela change complètement le comportement du métal liquide. »

Si vous avez commencé à extraire l’alliage de gallium-indium d’une buse, il se forme en gouttelette en raison de sa tension superficielle élevée. Si vous souhaitez créer un flux de métal liquide, vous devez appliquer un débit suffisamment élevé pour l’éjecter rapidement de la buse. Mais même dans ce cas, le flux résultant ne serait pas très stable.

Cependant, l’application d’une basse tension au métal liquide lorsque le métal est sous l’eau crée une fine couche d’oxyde à la surface. Cela permet aux chercheurs de créer des flux de métal liquide qui ont le diamètre d’un cheveu humain et un faible débit.

« Cet oxyde agit comme les molécules de savon pour l’eau, abaissant la tension superficielle et réduisant la tendance du fluide à perler », explique Karen Daniels, professeur de physique à NC State et co-auteur correspondant de l’étude, « mais ici l’effet est complètement réversible en coupant la tension. Vous ne pouvez pas facilement retirer le savon de l’eau. « 

Lorsque la basse tension est appliquée au métal liquide en mouvement, elle crée efficacement une peau d’oxyde qui coule le long de la surface du métal liquide. En d’autres termes, la couche d’oxyde n’est pas statique – le tout s’écoule régulièrement hors de la buse, comme un fil.

Cette technique donne aux chercheurs un contrôle considérable sur le comportement du métal liquide, car – jusqu’à un certain point – plus la tension appliquée au métal liquide est élevée, plus la tension de surface du métal liquide est faible. Cependant, aux tensions les plus élevées, la couche d’oxyde forme une croûte épaisse qui perturbe la façon dont le métal s’écoule. Il en résulte un écoulement de fluide qui ressemble à de la cire qui goutte. L’équipe de recherche avait précédemment montré que l’application d’une basse tension à une gouttelette de métal liquide au repos abaisse sa tension superficielle et l’amène à former des motifs fractals. Cette étude a également été réalisée sur du métal liquide sous l’eau. Cette nouvelle étude est la première à aborder ce qui se passe lorsque le métal liquide est en mouvement.

«Nous commençons seulement à explorer la gamme complète des applications potentielles de cette technique», déclare Dickey. «Une idée serait de créer efficacement des fils de métal liquide à température ambiante. Si vous les enfermez dans une gaine élastique, vous auriez des fils extensibles. Cela pourrait également être utilisé comme nouvel outil pour étudier et contrôler le comportement des fluides. C’est excitant car plus de 100 ans d’études scientifiques montrent que les courants liquides se décomposent en gouttelettes. Nous avons trouvé un moyen simple de stabiliser ces courants. « 

L’étude «Surmonter les instabilités de Rayleigh – Plateau: Stabiliser et déstabiliser les flux de métaux liquides par oxydation électrochimique» est publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciences.