L'équipe dirigée par le professeur Xiaolin Wang dévoile une méthode par laquelle les anodes en métal liquide (en particulier le métal liquide à base de gallium, à température ambiante) peuvent s'écouler vers les cathodes avec un faible courant électrique sans court-circuit.

Les résultats, publiés dans Nature Chemical Engineering le mois dernier, défie les principes électrochimiques conventionnels et offre des perspectives prometteuses pour le développement de conducteurs électriques à forme reconfigurable.

"Les implications de cette recherche s'étendent à de nombreuses applications potentielles", déclare le professeur Wang. "Le transfert continu de gouttelettes de métal liquide et la contrôlabilité du transfert ouvrent de nouvelles voies pour la robotique douce et l'ingénierie des dispositifs."

Éviter les courts-circuits

Conventionnellement, les anodes chargées positivement doivent court-circuiter lorsqu'elles sont mises en contact avec une cathode (voir Figure 1).

La nouvelle approche permet au métal liquide de s'écouler de l'anode vers la cathode sans provoquer de telles perturbations électriques (voir Figure 2).

Dans l'expérience, les gouttelettes de métal liquide attachées à une anode se déplacent vers la cathode en raison de l'oxydation électrochimique, car l'oxydation électrochimique abaisse la tension interfaciale du métal.

Généralement, une électrode solide (par exemple, un fil de cuivre) est insérée dans le métal liquide pour appliquer la tension qui entraîne l'oxydation électrochimique de la surface métallique. Les réactions électrochimiques se produisent plus intensément à l’extrémité du métal la plus proche de la cathode, créant un gradient de tension superficielle (c’est-à-dire un effet Marangoni). Le métal migre alors vers l'électrode opposée.

"À ce stade, il aurait été raisonnable de s'attendre à un court-circuit lorsque le métal liquide complète le circuit électrique", explique l'auteur principal, le Dr Yahua He (UOW).

"Cependant, dans notre expérience, bien que le métal s'approche et entoure la contre-électrode, il ne la touche pas réellement, il n'y a donc pas de court-circuit." Le métal liquide continue de s'écouler vers la cathode et de l'entourer jusqu'à ce que finalement le métal se détache complètement de l'anode et soit transféré à la cathode (voir Figure 3a).

En résumé, le court-circuit est évité avec succès et permet le détachement sélectif et le transfert simultané de gouttelettes de métal liquide d'une électrode à une autre dans des milieux aqueux. Une gouttelette peut être sélectionnée pour être complètement détachée d'une surface métallique et simultanément transférée sur une autre surface métallique sans court-circuit.

La couche de bulles d'une épaisseur critique de 250 µm joue un rôle dominant pour protéger le métal liquide contre les courts-circuits et faciliter le processus de détachement et de transfert en douceur, tandis que les oxydes peuvent également empêcher le métal liquide de court-circuiter dans une solution diluée de NaOH (≤ 0,25 M) avec une liquidité réduite.

Le décomposer goutte à goutte

Le processus est sélectif et dépend de la distance entre la cathode et le métal liquide; seule la gouttelette de métal liquide la plus proche se détachera et sera transférée (Figure 3b – e).

Toutes les anodes à gouttelettes de métal liquide ont le même potentiel et sont donc toutes amenées à se déplacer vers la cathode. Pourtant, pour les gouttelettes disposées à égale distance (deux gouttelettes sur la figure 3b et cinq gouttelettes sur la figure 3c), une seule gouttelette peut se détacher et être transférée.

Comme le montre la figure 3b, deux gouttelettes se trouvent sur des côtés équidistants de la cathode. Ils rivalisent pour se déformer et tous deux se dirigent vers la cathode. Dans cet exemple, la gouttelette de gauche arrive d'abord à la cathode, puis commence à entourer la cathode, tandis que la gouttelette de droite se rétracte vers sa position initiale (un scénario où le gagnant remporte tout). En conséquence, la gouttelette gauche se détache complètement de l’anode et est simultanément transférée vers la cathode. La gouttelette de droite reste à la position initiale et reste attachée au fil de cuivre.

Pour les gouttelettes disposées de manière non équidistante sur la figure 3d, seule la gouttelette la plus proche de la cathode se détache et est transférée sélectivement. Ainsi, la gouttelette transférée peut être sélectionnée en déplaçant la cathode. Cette méthode détache et transfère uniquement une gouttelette à la fois.

De plus, une fois qu’une gouttelette est transférée à la cathode, elle peut ensuite servir de nouvelle cathode pour détacher et transférer une autre gouttelette. Cette capacité permet un processus de transfert continu pour les systèmes de métal liquide avec plusieurs gouttes.

L'hydrogène et l'oxyde de surface assurent le filtrage

Les mécanismes sous-jacents à ce phénomène impliquent des bulles d’hydrogène à la cathode, une couche d’oxyde superficielle ultra-mince sur le métal liquide et un effet d’écran. Ces facteurs empêchent collectivement les courts-circuits et facilitent le détachement sélectif et le transfert des gouttelettes de métal liquide.

Lorsque le métal s'approche de la cathode, trois facteurs principaux deviennent importants :1) les bulles d'hydrogène à la cathode, 2) la couche d'oxyde superficielle sur le métal liquide et 3) l'effet d'écran, comme le montre les figures 4a à c.

Les deux premiers facteurs bloquent physiquement les courts-circuits (interface illustrée sur la figure 4d), tandis que le troisième facteur permet le processus de détachement et de transfert sélectif des gouttelettes. Autrement dit, lorsqu’une gouttelette de métal liquide entoure la cathode, elle filtre les autres gouttelettes. En conséquence, d'autres gouttelettes mettent fin au processus d'oxydation et se rétractent vers leur position initiale.

Transfert continu

Un transfert continu de va-et-vient de gouttelettes de métal liquide peut être réalisé en inversant la polarité des électrodes.

Comme le montre la figure 5a, lorsque les électrodes sont inversées après que le métal liquide a été complètement transféré vers la cathode, le métal liquide revient à la position initiale. De plus, la position de transfert est contrôlable en plaçant un fil de cuivre entre les électrodes, comme le montre la figure 5b.

Lorsque le fil de cuivre est mouillé par le LMD, il fusionne avec le fil plus rapidement que le fil métallique non mouillé. Ensuite, le LMD peut facilement saisir le fil et le ramener vers sa position d'origine, comme des tentacules liquides (Figure 5c).

Lorsque deux tentacules LM sont disposés pour arriver à la cathode en même temps en plaçant la cathode plus près de la gouttelette droite tout en élevant légèrement le côté gauche de la boîte de Pétri, une « inhibition de contact » analogue est observée sur la figure 5d.

Lorsque les LMD se rencontrent à la cathode, ils continuent de circuler des deux anodes vers la cathode unique. Lorsqu’un LMD se brise de son anode, l’autre se dilate rapidement par oxydation. De plus, les tentacules du LM navigueront vers la cathode en mouvement pour « l’énergie », analogue au phénomène biologique chimiotaxie. La cathode attire les LMD en raison des gradients de tension interfaciale.

Les tentacules du LM pourraient même se tourner pour suivre la cathode vers la source d'alimentation, comme le montre la figure 5e. Les tentacules LM sont capables d'entrer en contact ou de se séparer les uns des autres en déplaçant la cathode.

Applications

Une telle manipulation pourrait développer des stratégies utiles pour les métaux liquides en tant que conducteurs à forme reconfigurable pour les dispositifs et les actionneurs de la robotique douce.

De plus, éviter les courts-circuits a des implications pour l'ingénierie électrochimique, telles que l'impact prononcé sur le transport convectif d'espèces électrochimiquement actives ainsi que sur le transfert de chaleur à proximité des électrodes.

Cette recherche défie non seulement les principes électrochimiques conventionnels, mais offre également des perspectives prometteuses pour le développement de conducteurs et d'actionneurs à forme reconfigurable. Éviter les courts-circuits a des implications significatives pour l'ingénierie électrochimique, mettant en évidence l'impact profond sur le transport convectif d'espèces électrochimiquement actives et le transfert de chaleur à proximité des électrodes.