振动诱导的液态金属法拉第波及液滴不融合现象

液体随着容器垂直上下振动，在液体表面会形成非线性表面驻波，该现象由英国科学家法拉第于1831年首先发现，因此被称为法拉第波。法拉第波属于经典流体力学的不稳定性问题，影响振动模态的参数很多，主要有：黏度、表面张力、密度、驱动频率和振幅、初始厚度、表面积等。神奇的是，若放置一个液滴在振动的流体表面上，液滴并不会和下部的流体融合在一起，而是可以在流体表面上跳动着保持悬浮状态。不融合的机理在于两部分流体之间存在一层极薄的流动的介质层（通常是空气），这个介质层提供了一定的托举力从而避免了上下流体间的直接接触（雷诺润滑理论）。这种不与任何固体基底接触的状态赋予了流体更大的自由度，从而使其展现出很多奇特的现象，因而对于研究处于自由状态的运动液滴具有十分重要的意义。

常规流体，例如水和油类，通常被用于观察法拉第波及其引发的不融合现象，因为它们具有较为适中的密度、黏度和表面张力。而液态金属作为一种新兴的功能材料，其密度远大于上述常规流体（水的6倍），同时表面张力非常高（水的10倍），重力和表面张力的综合作用通常会使两部分液态金属立刻融合为一个整体。迄今为止，还没有针对液态金属这一特殊流体对振动响应的相关研究。鉴于此，笔者实验室首次揭示了液态金属在振动作用下的表面特性和界面行为规律［4］。需要注意的是，与常规空气膜润滑的情况不同，由于镓基液态金属表面在空气中会形成一层黏性的氧化膜从而限制其表面行为，因而液态金属通常被应用于能够去除其表面氧化膜的酸性或碱性电解液环境中。

实验发现［4］，通过施加不同频率和加速度的正弦振动，液态金属液池表面会呈现出丰富的表面波动形态，其中规则的图形包括六边形、八边形、十边形、十二边形等。除此以外，振动会使液态金属/溶液界面产生流动，从而提供一个雷诺润滑力，这个力能够保证直径为毫米级的液态金属液滴可以在这些表面波的驻点上稳定地悬浮，这提供了一种更为直观地观察表面波图形的途径（图5.8a）。值得指出的是，悬浮于液态金属/溶液界面的液态金属液滴并非静止不动，而是在竖直方向上进行正弦振动。通过对其振动周期的测量发现，液滴振动频率是驱动频率的一半（图5.8b），因而此种状态下的表面波属于亚谐波。

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图5.8　振动诱导的液态金属法拉第波及液滴不融合效应［4］

a.液态金属表面在不同频率和加速度的正弦振动下产生的规则图案（六边形、八边形、十边形、十二边形），图案的每个顶点上均可以悬浮一个或多个液态金属液滴；b.液态金属液滴在同种液态金属液池和溶液界面上周期性地正弦振动，液滴振动频率是驱动频率的一半（驱动频率为30 Hz）。

悬浮的液态金属液滴具有更高的自由度，不受基底材料性质的影响，对于研究液态金属机器人、智能马达、柔性泵、血管机器人等具有极其重要的科学价值和应用价值。本项研究提出的基于振动悬浮金属液滴的方法［4］，为探索液态金属在柔性基底上的运动行为提供了一种崭新的无接触式途径，相比于外加电场，改变化学场等传统方法，施加振动并不会改变液态金属和溶液体系的化学组分和化学性质，因此该方法具有极高的稳定性和可行性。除此以外，由于振动所引起的流动不稳定性与流体本身的性质关系巨大，因而对于液态金属这一特殊流体对振动响应的探究，对于完善流体力学的相关内容具有十分深刻的意义。