中科院金属研究所，中科院金属研究所在哪个城市
从DNA到太阳系的轨道排列，令人惊叹的自组织图案普遍存在，且在物理学、生物学、地质学和化学中均得到了广泛的研究。其中，Liesegang现象，即时空有序的周期性环带，在1896年就被首次观察到，是化学、物理或生物过程复杂相互作用的结果。迄今为止，以往所报道的大多数Liesegang图案都是在溶液环境中形成的，而且图案形成的特征时间尺度通常是数天，空间尺度平均为数厘米。
以镓基合金为代表的液态金属是一种同时兼有液体和金属属性的材料。液态金属与固体金属的界面相互作用可强烈改变液态金属的接触角、吸附能、界面张力。但是，液态金属与固体金属薄膜的微观作用机制还没有被细致的研究探索。
近日，中科院理化技术研究所刘静、王倩团队在 Advanced Materials上发表了题为“Liesegang Phenomenon of Liquid Metals on Au Film”的文章（DOI: 10.1002/adma.202209392）。该小组在研究镓基液态金属（liquid metal，LM）在金膜表面上的反应扩散问题时，首次发现该体系在室温和大气环境下形成了不同形貌的呈时空有序分布的毫米级自组织Liesegang图案，并对其背后的深层次微观作用机制和规律进行了系统的试验揭示和理论探究。这一工作系首次观察到液态金属-固体金属体系存在Liesegang现象，相应发现也为研究液态金属与更广泛固体金属薄膜之间的各种自组织反应扩散体系开辟了崭新的思路。
液态金属在金表面“精雕细琢”的Liesegang环
Ga-Au体系形成的回复型Liesegang图案
室温条件下，首先研究了单质液态金属Ga在Au表面的行为，如图1所示。扩散前，整个衬底上Au的厚度为100 nm。Ga团簇在金膜表面扩散的过程中，局部Au发生迁移并与Ga合金化形成AuGa 2晶体，同时Si基底暴露出来。最终，一个回复型的Liesegang图案形成了，其同心环带由扩散中心向外辐射，在2.59 mm内可以观察到共444条AuGa 2环带，呈现出排列逐渐致密化的褶皱形态，其时空演化与经典的Liesegang图案形成定律（时间定律、间距定律、宽度定律）相吻合。
图1 Ga-Au体系形成的Liesegang图案。（来源：Adv. Mater.）
EGaIn-Au体系形成的复合型Liesegang图案
二元液态金属EGaIn在Au表面的润湿、扩散、铺展行为如图2所示。液态金属和金膜反应扩散所导致的前体环会从液态金属表面的自限性氧化膜下逸出（视频 1），这就导致了固-液-气三相接触线的移动，最终，液态金属液滴在金膜表面塌陷，完全铺展（视频2）。对于液态金属微团簇和金的反应扩散体系，同样可以观察到反应扩散诱导的前体环以及润湿导致的铺展，此外，还可以观察到团簇的自组织图案化行为（视频3），这个过程也遵循着传统的时间定律。
视频1 前体环从液态金属表面的自限性氧化膜下逸出
视频2 液态金属液滴在金膜表面的自发润湿与铺展
视频3 室温下液态金属团簇在金膜表面的图案化过程
图2 EGaIn-Au体系的润湿、扩散和铺展行为
液态金属Liesegang图案的相组成表征
对Ga-Au和EGaIn-Au体系反应扩散所得的Liesegang样品进行了XRD及TEM测试（图 3）。结果显示，Ga-Au体系的产物是AuGa 2，在EGaIn-Au体系中，以AuGa 2相为主，而AuIn 2相则相对较少。可以推测在EGaIn-Au体系的反应-扩散-铺展过程中同时发生了以下几个过程：（1）Ga和Au的相互扩散及金属间化合物AuGa 2的生成：Au + 2 Ga → AuGa 2；（2）In和Au的相互扩散及金属间化合物AuIn 2的生成：Au + 2 In → AuIn 2；（3）Ga在自由表面的氧化。界面处AuGa 2和AuIn 2的竞争形核不仅对EGaIn在Au膜上的润湿和铺展过程有重要影响，而且对复合Liesegang图案的形成也起着关键作用。
图3 由Ga-Au和EGaIn-Au体系获得的Liesegang图案的相组成表征
EGaIn-Au体系形成的复合Liesegang图案可以分成五个区域（I-V，图4）。在扩散中心（I区），Ga和In发生相分离，In优先和Au基底合金化生成形状各异的块状AuIn 2晶体；II区为Au发生迁移后，暴露的硅片基底和残留的氧化镓微球团聚物；III区为由AuGa 2晶体形成的褶皱环带结构，环带由稀疏逐渐变得密集；IV区和I区相似，主要组成为AuIn 2金属间化合物；V区和III区相似，AuGa 2褶皱逐渐致密化，只是褶皱波动的变化尺度更为微观。
图4 EGaIn-Au体系所形成的Liesegang图案的空间分布
液态金属Liesegang图案中AuIn2和AuGa2的竞争形核行为
为了进一步研究AuIn 2优先成核的临界条件，研究小组构建了GaIn x-Au (x=24.5, 15,10,5,0)体系（图5）。通过比较这五种Liesegang图案可以观察到，只有在GaIn 24.5-Au和GaIn 15-Au体系中，AuIn 2晶体优先在扩散中心形成；而在GaIn 10-Au和GaIn 5-Au体系中，图案中心没有AuIn 2的形核，仅在扩散过程中出现了离散的AuIn 2团簇。由此可以推测，在Ga-Au和In-Au的竞争合金化反应中，当GaIn合金中In的质量分数不少于15%时，In优先和金发生合金化反应形成AuIn 2。AuIn 2的多次成核行为可以用奥斯特瓦尔德过饱和模型来解释，即当产物的浓度超过一个临界阈值时，就会触发成核。在反应扩散前沿，AuIn 2的成核耗尽了周围的In，过饱和度急剧下降，成核过程停止。随着扩散过程中Ga的逐渐消耗和In的不断积累，当移动前沿中In的浓度再一次达到临界值时，会再次发生成核，出现另一个分离的AuIn 2环带。
图5 AuIn2和AuGa2的竞争形核行为
中科院理化技术研究所博士研究生邢泽溶为论文第一作者，中科院理化技术研究所&清华大学刘静教授、中科院理化技术研究所王倩副研究员为通讯作者，本工作得到了国家自然科学基金的支持。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209392
来源：高分子科学前沿
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