Инженеры продемонстрировали возможность эффективного управления оптическими характеристиками капли жидкого металла с помощью низкого напряжения. В эксперименте линза из сплава индия и галлия меняла поверхность с зеркальной на матовую и обратно за несколько секунд, что потенциально может помочь изготавливать оптические компоненты с переключаемыми свойствами.

Статья опубликована в Optical Material Express.

Жидкие металлы могут обладать высокой отражающей способностью, из них можно сделать зеркало или линзу. Такие оптические компоненты обладают определенным преимуществом по сравнению с традиционными твердыми. Например, им легче придавать сложную форму, а также такое зеркало может быть деталью полностью мягкого устройства. Наконец, такой поверхностью проще управлять, нежели твердой. Серьезным препятствием внедрению жидкометаллических оптических компонентов служит способность воздуха (или воды) окислять металл. В результате на поверхности образуется матовая пленка, которую нужно каким-то образом удалять.

Группа ученых под руководством Кейсуке Накакубо (Keisuke Nakakubo) из Университета Кюсю предложила способ динамического контроля отражающих и рассеивающих свойств жидкометаллической линзы с помощью электричества. В качестве рабочего материала исследователи выбрали сплав галлия с индием, который остается жидким при комнатной температуре и при этом не токсичен.

Опытную установку сконфигурировали следующим образом. Металл с помощью шприца налили внутрь медной шайбы так, чтоб он слегка выпирал из ее отверстия. Эту конструкцию залили электролитом на основе сульфата натрия, отличающегося химической нейтральностью. Перед этим шайбу покрыли фотоотверждаемой смолой-изолятором, чтобы ток шел только между жидким металлом и электролитом. Наконец, электрод от генератора переменного тока подсоединили шайбе, а нулевой провод опустили в электролит.

Схема экспериментальной установки Nakakubo et al. / Optical Material Express, 2021

Для контроля изменения оптической поверхности исследователи освещали жидкий металл лазером и следили за отражением. Выяснилось, что при среднем напряжении между фазой и нулем около −0,8 вольт оксидная пленка исчезает, и линза становится гладкой и зеркальной. При изменении среднего напряжения до +0,8 вольт поверхность покрывалась бежевым матовым слоем, рассеивающим свет.

Полный переход поверхности из глянцевой в матовую происходит менее чем за четверть секунды, а обратно — за восемь, поскольку металл стремится окислиться и сам по себе, без электричества. Первоначально оксидная пленка остается гладкой и тонкой, но затем утолщается и сморщивается. Исследователи считают, что электрический метод управления оптическими свойствами капли жидкого металла проще, надежнее и быстрее, чем с помощью химических реагентов или механических устройств, что ускорит внедрение жидких зеркал.