如何优化：液态金属表面的原子级光滑形貌

作为一种同时兼有液体和金属属性的材料，液态金属在很多性质上都表现得与众不同。随着微纳米成像技术的快速发展，我们对物体表面的结构有了越来越清楚和深刻的认识。众所周知，内部结构有序的固体表面，会由于不同的加工方法而具有不同的粗糙度，固体金属由于氧化和腐蚀的存在，其表面形貌会进一步改变。液体由于内部结构无序，在表面张力的作用下，其表面十分光滑［1，2］。而对于液态金属这种特殊的材料，我们不禁要问，它的表面究竟是什么样的？

笔者实验室Tang等选择镓铟合金作为观测对象，进行了研究。从图4.1可以看出，在扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）成像下，液态金属的表面与固体表面存在明显的差异，与布满微观结构的固体表面相比，液态金属表面在微观成像中仍然表现得极为光滑，无任何微观特征。然而，由于液态金属的组成成分镓和铟在空气中均会形成氧化膜（图4.2），因此在空气中的液态金属表面并非真正的液态金属表面，而是一层固态的非金属表面。液体表面受外来扰动激起的波纹会随时间慢慢衰减，液面恢复平静。而空气中的液态金属由于氧化膜的存在，在外来扰动下会形成褶皱。

图4.1　液态金属小球表面的SEM成像(www.xing528.com)

图4.2　金属液滴外观

a.水中液态金属液滴SEM成像俯视图；b、c.NaOH溶液中液态金属液滴。

镓铟的金属氧化物为两性氧化物，酸性溶液和碱性溶液均能将液态金属表面的氧化膜溶解掉。图4.2a为置于水中的液态金属液滴，当向水中滴入NaOH溶液后，氧化膜被溶解，同时液滴在表面张力的作用下呈高度对称的球形（图4.2b）。由于氧化膜的溶解，在NaOH溶液中的液态金属表面应当具光滑性。遗憾的是，目前的测试手段还难以测量溶液环境中的液态金属表面形貌。然而，通过X射线反射法，科学家们已经对液态金属的表面光滑性从侧面进行了表征。X射线反射测试高真空环境中液态金属表面的结果表示，液态金属的表面结构与其表面电子云的分布有着密切联系。在高真空环境下，液态金属的表面结构呈原子尺度的分层分布。因此可见，虽然由于热运动而导致的表面波（capillary wave）无法避免，液态金属的表面不可能绝对光滑，但是即使小到纳米尺度，将液态金属的表面当作光滑表面也是完全合理的。