文章导读
用于控制微流体的小型泵在药物输送和化学测定中具有广阔的应用前景。液态金属由于其简单的结构和电场下的电毛细管效应而表现出优异的流动泵送性能。然而，液态金属液滴有从受限结构逸出的风险，这可能导致泵无法正常工作。此外，温度调节也是优化流体系统化学反应的关键参数，然而，将其集成到紧凑的系统中仍然具有挑战性。
近期，澳大利亚伍伦贡大学李卫华华教授课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Temperature-triggered liquid metal actuators for fluid manipulation by leveraging phase transition control”的论文，通过引入润湿在铜板上的镓液滴作为流动驱动的核心元件，开发了一种温度触发的镓基致动器（TTGA）。铜板可防止镓液滴逸出限制结构并显着提高流速。通过利用电化学方法抑制镓的过冷效应，TTGA能够在不同温度下激活/停用流动驱动。通过动态调节镓液滴的温度来控制相变，TTGA 可以实现精确的流动驱动控制。此外，将不同熔点的液态金属液滴放置在不同的通道中，可以实现不同温度流体的定向驱动。TTGA的发展为微流控和生物医学治疗带来了新的机遇。
文章内容
我们采用基于镓的液态金属液滴作为TTGA的中心组件，将电能转换为机械能。TTGA的泵送功能是通过电位梯度在液滴表面形成马兰戈尼流来实现的。镓液态金属液滴在不同温度下可以实现固体液体转换来实现温度识别的泵送（图1）。镓金属通过电化学方法将镓浸润在铜板上，有效抑制其从限制结构中逃逸并提升了泵送效率。
图 1. TTGA 的设计。a) TTGA 示意图。放大图像显示了不同温度下镓的相变。b) 铜板上湿润的镓液滴示意图。上图显示了初始状态下镓的形状。下图展示了电势梯度下的形状转变。c)光学图像，显示了铜板上镓液滴在初始状态和电势梯度下的侧视图和俯视图。d) 有/没有铜板的镓液滴的流速。插图显示了在电势梯度下腔室中没有铜板的镓液滴的位置变化。e) 连续图像显示了 TTGA 泵送效应，在充满氢氧化钠溶液 (0.2 mol/l) 的通道中的铜板上使用镓液滴，同时在电极之间施加 5 V 电压
通过流体仿真和实验，我们比较了不同电极位置对液体泵送能力的影响（图2）。当电极位置在A处（负极在液滴里，正极在侧面），镓液滴有更好的泵送能力。此外，我们探究了浓度对泵送能力的影响。当浓度增加，电极位于位置B时具有更稳定的泵送能力，而在位置A时，泵送能力逐渐下降。原因在于位于位置A时，负极产生的气泡会阻碍镓液滴表面的流动，从而降低其效率。相似地，我们探究了电压的影响。结果表明7V 电压在该系统中可以实现较好的泵送能力。电压继续升高会使气泡产生累计从而抑制泵送能力。
图2. TTGA 泵送性能的优化。a) TTGA 中两种电极位置的示意图。位置A：镓液滴上的阴极和右侧的阳极。B位置：两侧的阴极和阳极。电极距离是恒定的。模拟 b) 位置 A 和 c) 位置 B 的流速。d) 模拟和测量两个电极位置的流速。e) 不同溶液浓度下两个电极位置的 TTGA 流速。f) 不同施加电压下电极位置为 A 的 TTGA 的流速
图3展示了镓液态金属液滴对温度动态响应的液体泵送能力。我们通过升高温度再降低温度实现了镓液滴的熔化再凝固，进而控制了TTGA的不同条件下的液体泵送。
图3. TTGA 的温度控制。a) 温度变化时流量随时间的位移。在阶段 1 和阶段 3 施加 20°C 的低温。在阶段 2 和阶段 4 施加 32°C 的高温。b) 不同阶段的流速。c) 不同温度下 TTGA 泵送性能的示意图
图4展示了具有不同熔点的液态金属液滴在高低温度液体的泵送响应。在存在高温液体时，两个支路均可高效泵送液体。而在低温液体时，含有镓金属的支路会因镓的快速凝固将该支路阻断，液体只从镓铟合金的支路泵送。展示了支路的温度识别的泵送能力。我们进一步测试了不同组分的镓铟合金，证实了其具有不同熔点，为泵送具有更精细的温度梯度的液体提供了可能。
图 4.具有温度感觉的 TTGA。a) 分别含有Ga和EGaIn液滴的通道中的高温液体流动。b) 分别含有Ga和EGaIn液滴的通道中的低温液体流动。比例尺为 10 毫米。c）纯Ga、Ga90In10（90wt％Ga和10wt％In）、Ga80In20（80wt％Ga和20wt％In）和Ga70In30（70wt％Ga和30wt％In）合金在加热和冷却过程中的DSC曲线。d) 7 V电压下不同Ga成分比、不同溶液浓度的流量，将LM液滴设置在B位置
伍伦贡大学工程学院博士后陆鸿达和硕士研究生杨家怡为本文共同第一作者，陆鸿达博士后、唐诗杨副教授以及李卫华教授为共同通讯作者。
课题组简介
杨家怡，于2024年获得伍伦贡大学研究型硕士学位。曾任伍伦贡大学中国学生大使，积极助力国内大学与伍伦贡大学的学术交流。在读期间主要聚焦于液态金属，微流体，柔性电子等研究方向。
陆鸿达， 澳大利亚伍伦贡大学工程与信息科学学院博士后。他于2018年获得中国科学技术大学工程学士学位，并于2023年获得伍伦贡大学博士学位。主要研究兴趣包括液态金属，智能材料，微型器件，微技术。在包括Nature communications, Science Advances, Matter, Advanced Functional Materials等高影响力期刊发表了20篇论文，撰写英文专著1章节。
唐诗杨，澳大利亚新南威尔士大学(UNSW Sydney)机械与制造工程学院的Scientia副教授，同时也是英国南安普顿大学电子与计算机学院的副教授。他于2012年和2015年分别在澳大利亚皇家墨尔本理工大学获得电气工程学士学位(一等荣誉)和微电机械系统(MEMS)博士学位。此后，他在美国宾夕法尼亚州立大学和加州大学旧金山分校(UCSF)进行生物微流控领域的博士后研究。从2017年到2019年，唐博士在澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong)担任Vice-Chancellor's Postdoctoral Research Fellow，并于2020年到2023年在英国伯明翰大学担任助理教授。唐博士是澳大利亚研究理事会(Australian Research Council)的Future Fellowship 和DECRA Fellowship的获得者。他在包括PNAS, Nature Communications, Science Advances, Matter, Advanced Materials等高影响力期刊上发表了约120篇论文。唐博士是Journal of Nanobiotechnology (2022年影响因子：10.2)的副主编，以及Sensors, Scientific Reports, 和Health Nanotechnology的编委会成员。
李卫华，澳大利亚机械工程师学会会士、英国物理学会会士。澳大利亚伍伦贡大学工程与信息科学学院高级教授，并担任该校先进制造研究中心主任; 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系国际客座教授。分别于1992年与1995年在中国科技大学获得学士及硕士学位，并于2001年获得新加坡南洋理工大学博士学位。他为九个国际学术期刊担任副主编或编辑委员工作。现已发表论文超过578余篇，引用超过29000次（Google Scholar），h-因子=92。获得澳大利亚Endeavour Fellowship，日本JSPS Fellowship, 伍伦贡大学校长奖（三次），以及多次最佳论文奖等。
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引用：
Lu, H., Yang, J., Zhao, M., Zhang, Q., Wang, J., Zhou, X., … Li, W. (2024). Temperature-triggered liquid metal actuators for fluid manipulation by leveraging phase transition control. International Journal of Smart and Nano Materials, 15(4), 730–742. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2417257
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2023年影响因子为4.5。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
IJSNM所有文章接收后即可在线发布并获得引用，欢迎广大学者将最新研究论文投稿至IJSNM。
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Tel.: 0451-86413401
引用数据：
Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
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