液态金属的毛细现象探索

如果将一根很细的玻璃管插入水中，会观察到什么现象呢？毛细管内的液面会较容器中的水面上升一段距离，这就是经典的毛细现象（图4.9）。毛细现象产生的主要原因是毛细管壁分子对水分子的吸引力大于水分子之间的吸引力，这种力可以使直径1mm玻璃管内的水面上升30 mm之多。这一现象后来常被用于测量液体的表面张力，称为毛细管上升法。

图4.9　液态金属的毛细现象［4］(www.xing528.com)

如果把水换为液态金属情况又会怎么样呢？当我们将同样的毛细玻璃管插入到镓铟合金中时，可以发现，玻璃管内的镓铟合金液面非但没有上升，还比管外的液面低了一截［4］。这是由于镓铟合金不同于常见的液体，其化学键以金属键为主，作用力远大于玻璃分子对镓铟合金的吸引力，镓铟合金更倾向于聚集成团保持更小的接触面积，从而导致液面不升反降。总而言之，毛细管内液面位置变化主要取决于液体管壁材料间相互作用力与液体本身内聚力的关系，如果液体管壁材料间吸引力大于液体内聚力（例如水与毛细玻璃管），即液体可浸润管壁材料，那么毛细管内的液体就会上升，反之毛细管内的液面则会下降。

当与氧气接触时，液态金属表面会生成一层致密的氧化物薄膜，这层膜的黏附性很好。在这种情况下将毛细管插入液态金属中，玻璃管表面往往会被这层膜覆盖，难以观察管内情况。此时向毛细管内注入少量2%NaOH溶液，可观察到氧化膜消失，管内液面也稍有下降，这是因为去除氧化膜导致液态金属表面张力增大所导致的。如果此时将液态金属池作为阴极，另将细铂丝电极插入毛细管内的NaOH溶液中作为阳极，通电后会观察到毛细管内液态金属液面下降更多，这是由于通电后液态金属表面张力下降所致。

由于浸润性的不同，液态金属的毛细现象与水恰恰相反，可以利用这一性质使用液态金属实现一些常规液体难以达到的目标。实际上，Fang等发现在毛细管内出现的电控液态金属射流现象［19］，也属于此处所讨论的电毛细现象。实验中可以看到，液态金属可在水平管、垂直管内上下流动和抽吸，且较低电压即可操作，调控起来十分方便。这一研究也被其他实验室重现并广泛分析。