“誰不知道熵概念，就不能被認爲是科學上的文化人，將來誰不知道分形概念，也不能稱爲有知識。”物理學家惠勒曾如此去讚美分形。所謂分形，指的是具有以非整數維形式充填空間的形態特徵。略顯抽象的概念並不能阻擋我們和分形之間的距離。美麗的分形廣泛存在於自然界和人體中。不管是曲折蜿蜒的海岸線，旁逸斜出的樹枝，還是俊俏疊嶂的山峯，變幻萬千的雲彩，亦或是我們自身體內的血管和肺氣管樹，都是分形的具體表現形式。可以說，我們生活在一個分形的世界。

        擁有自相似性的分形因爲擁有美麗的圖案而得到人們廣泛地喜愛。除此之外，物理系統中的分形現象也已被屢次發現並得到有效利用。一般來說，分形背後的機制是多種多樣的，包括黏性指進、擴散限制凝聚以及物態變化等。基於目前的機制分析，分形現象很難在液態金屬中出現，這是因爲其大的表面張力（γ>550 mN/m）和常溫下幾乎爲零的蒸氣壓。近日，中國科學院理化技術研究所&清華大學聯合團隊基於液態金屬的金屬性，利用過氧化氫和基底間的協同氧化，在石墨板上方便快捷地實現了一種有趣的液態金屬分形，相關成果已在線發表於Science Bulletin[1].

液態賦張力,  金屬予神奇

      該研究中所實現的分形圖案的載體是鎵基液態金屬（Ga75.5In24.5），是一種在常溫下即可呈現液態的金屬。衆所周知，液態是物質的存在形式之一，有着不可替代的作用。正是地球上液態水的存在，才孕育了生命的形成。液態時，物質擁有很多優異的性質，其中，表面張力是不可忽略的一點。只有在液態情況下，表面張力纔可以起到很多重要作用。而本文所提到的液態金屬擁有目前已知所有的液體中最大的表面張力（700 mN/m）[2]。正是其巨大的表面張力，使得我們可以通過調節表面張力來驅動液態金屬，從而實現很多有趣的界面現象[3,4]。

       更爲重要的是，本研究所用的液體其本質是一類金屬。其除了擁有流體賦予的高表面張力和優異的流動性外，還擁有典型的金屬賦予的特性，比如高導電性、高導熱性和金屬性。利用鎵基液態金屬金屬性較強的特點，通過氧化還原反應使鎵基液態金屬失去電子被氧化。被氧化的液態金屬的表面張力會急劇減少，從而達到調控液態金屬表面張力的作用，這種調控方式在一般流體中很難實現。

     基於前述想法，科研人員將液態金屬置於石墨板上，成功實現液態金屬可以在石墨板上自發地鋪展。現象背後的機理在於，液態金屬和石墨板因爲標準電極電勢的差異，會自發地形成原電池。這個過程中，作爲負極的液態金屬丟失電子，表面被氧化，從而使表面張力變小，進而實現了液態金屬在石墨板上的自發鋪展[5]。這裏正是利用了液態金屬的金屬性，通過引入石墨板，構成原電池，從而解決了液態金屬因自身表面張力巨大，在電解液中通常以球形方式存在的問題，爲下一步的分形演化奠定了基礎。可以看到液態金屬的自身性質在這裏起到了十分重要的作用。正所謂：液態賦張力，金屬予神奇。

協同共氧化,  “墨”上終花開

      前面已經提到，由於電化學氧化的作用，液態金屬在石墨上不再保持擁有高表面張力狀態的橢球形，而是呈現出被氧化後的圓餅狀。此時，我們引入過氧化氫作爲氧化劑，和石墨板協同作用共同氧化液態金屬；最終，成功地實現了液態金屬的分形。因爲這種分形需要基底和過氧化氫共同氧化方可實現，故而被稱之爲協同氧化激發的液態金屬分形。

       實驗過程中，只需滴加幾滴過氧化氫溶液至液態金屬上表面，液態金屬分形現象便可發生（圖1）。過氧化氫作爲一種綠色氧化劑，可以高效地氧化液態金屬。前面已經說到，氧化後的液態金屬的表面張力會急劇下降，因而液態金屬的表面會形成一種張力梯度，從而引起馬拉高尼流動，使得液態金屬快速鋪展。動態鋪展過程中，氧化應力起到主導性的作用。進一步地，氫氧化鈉溶液會溶解液態金屬表面的氧化膜，使液態金屬有還原成橢球形的趨勢，這種力被描述爲還原力。氧化應力和還原力之間的競爭，是樹枝狀液態金屬分形圖案出現的重要原因。此外，依據通用的機理分析，我們預測液態金屬分形現象在其他符合條件的基底上也可以被實現。這種基底需要可以與鎵基合金形成原電池並且作爲正極，使液態金屬失去電子被氧化。實驗結果證實，液態金屬分形可以在銅板和鎳板上實現。

圖1 過氧化氫激發的枝狀液態金屬分形

       實驗中，對於不符合協同氧化條件的基底，包括玻璃、有機玻璃、鎂板及鈦板等，優美的擁有自相似特性的液態金屬樹枝狀的分形圖案不再出現，這進一步證實了協同氧化的重要性。這就是所謂“協同共氧化，墨上終花開”的物理內涵。

       之前的研究已經發現，液體金屬的分形可以通過施加電壓來實現，其被稱爲電壓驅動的液態金屬分形[6]。然而，外加電壓和合適分佈的電極是實現電壓驅動的液態金屬分形的必要條件。這種不方便性限制了液態金屬分形的進一步發展和應用。因此，該研究所實現的協同氧化的液態金屬分形，可以擺脫對電場的依賴，對於液態金屬分形的應用具有顯著的理論和實際意義。

       因爲極佳的可變形性，鎵基液態金屬在界面科學以及柔性機器等領域引起了研究者的廣泛關注。在前期本課題組衆多研究的基礎上，該文實現的協同氧化的液態金屬分形不僅展示了液態金屬豐富有趣的界面現象，而且有助於我們加深對液態金屬物理化學性質的進一步理解。同時，因爲液態金屬優異的導電和導熱性，所實現的液態金屬分形結構具有諸多潛在的應用。目前，基於這種獨特且簡易的協同氧化驅動的液態金屬分形，一種自相似的液態金屬天線正在構思製作。未來，在可重構柔性電子和柔性機器領域，更多重要的應用有望被陸續實現。

      此外，我們應該注意到這種液態金屬分形現象是典型的非平衡態熱力學現象。在這項研究中，不同於傳統的熱力學物理系統，液態金屬分形傾向於形成有序的樹枝狀結構。其背後的原因在於該系統是一個開放系統，可以與外界交換物質和能量。而生命系統則是一種典型的開放系統，從這種層面上說，液態金屬有序分形系統的研究對於可演化的生命系統的探索具有一定的啓示作用。電影《終結者》中的液態金屬機器人引起了人們廣泛的遐想,實現液態金屬機器人也是柔性機器領域的一大夢想。因而，關於操縱液態金屬研究的每一點進步都是值得鼓勵的。目前，更多關於液態金屬非平衡態熱力學系統的研究正在進行。

原文：

Liquid metal fractals induced by synergistic oxidation

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592731830505X

推薦閱讀文獻

1. Chen S, Wang L, Zhang Q L, et al. Liquid metal fractals induced by synergistic oxidation. Sci Bull, 2018, doi: 10.1016/j.scib.2018.10.008

2. Daeneke T, Khoshmanesh K, Mahmood N, et al. Chem Soc Rev, 2018, 47: 4073–4111

3. Yuan B, Wang L, Yang X H, et al. Adv Sci, 2016, 3: 4

4. Chen S, Yang X H, Cui Y T, et al. ACS Appl Mater Interfaces, 2018, 10: 22889–22895

5. Hu L, Wang L, Ding Y, et al. Adv Mater, 2016, 28: 9210–9217

6. Zhang J, Sheng L, Liu J. Sci Rep, 2014, 4: 7116