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文章一：
CHARACTERIZATION OF LIQUID-METAL GALINSTANreg;FOR DROPLET APPLICATIONS
液态金属镓铟锡合金在液滴应用方面的特征
摘要：
我们将汇报在微型仪器中，应用无毒的液态金属---镓铟锡合金来取代水银液滴的方法。为了应对会妨碍镓铟锡合金研究的超快速的氧化，我们所有的实验都在充满了氮气的手套箱内进行。只要氧气浓度保持在1ppm以下，镓铟锡合金会很像真正的液体，显现出明显的液体和气体的分解面。在28的氮气中，用垂滴法测得镓铟锡合金的表面张力为534.6plusmn;10.7mN/m。在玻璃和杜伦表面分别测得前进和后退接触角为146.8°/121.5° 和161.2°/144.4°，镓铟锡合金在介质上的电湿润也被论证。
介绍：
镓铟锡合金---一种用68.5%镓、21.5%铟、10%锡混合而成的易熔合金，是除了水银以外唯一可获得的一种在零摄氏度以下仍能很好地保持液态的金属。由于它具有无毒性和很低的蒸发压力（lt; Pa ，500°C），在很多的应用中（如温度计）将取代水银。在微电子机械系统中一些合适的方面，镓铟锡合金已经在使用或者取代了水银。然而，镓铟锡合金并没有如同最初预期的那样产生很多的成功使用的典例。一定程度上是因为它较为新型，有很多的特性不为我们所知。不幸的是，在互联网上的一些信息（比如说：镓铟锡合金湿润玻璃），还不够准确或存在误导性。处于取代水银液滴的需要，我们研究了在设计液滴的微型仪器时，镓铟锡合金的一些必要的关键性的特性。事实上，镓铟锡合金很容易并很迅速被氧化，这就是描述镓铟锡合金特别是在小液滴时的带来的关键性的挑战。预防氧化，依然是在使用镓铟锡合金液滴发展微型仪器时要注意的主要问题。
理论与方法：
表面张力测量
在液体和气体或者蒸汽之间的表面张力的测量，有着各种各样的方法（如毛细管法、垂滴法、威廉姆白金板法）。我们采用了垂滴法，因为它更适合。实验的设计与操作均在手套箱中进行。在垂滴法中，当表面张力和重力是可比的，表面张力取决于液滴或者气泡的形状系数。当液滴形成后，它的外形服从了杨-拉普拉斯方程（方程1），它描述了由表面弯曲导致的压力的差异。
方程中，是指气体与液体的压力差，是液体表面张力，是特定点的主要曲率半径。由于液滴圆对称在顶点的两个曲率半径相等，即所以顶点处。因此，考虑到重力系数g，从顶点处在高度z方向上的压力差可以表示为，这里的，表示密度。结合方程1，得到：
定义邦德数，和R由合适的经验多项式计算出来。由方程2的数值解与实验中所得的液滴外形对比得到理想的液滴外形。目标函数（实验所得与生成的理想的外形的距离的总和）用于，在一个特定的范围之内，可以寻求适应实验数据的最佳的和R。记录上述推演过程，应用于悬液以及固定液，直到z坐标上升，坐标原点到达顶点。
接触角
在液体的前弯月面处的接触角大于在后弯月面处的接触角。在一表面上形成的任何静态液滴，有一个在前进与和后退接触角之间的接触角。前进和后退接触角之间的差被称为接触角滞后。通过连续地从液滴中添加或减少液体，分别增加或减小接触角，可以发现在接触之前一个线性移动的瞬间。
介质上电湿润反应
在一固体上的不同液体，会因固液气三相之间的表面张力使得其湿润情况不同。湿润情况可以通过不同的方式包括用电（比如电湿润）来控制，用介质上电湿润的机制与结构在微型仪器领域最为常见。图1展示了介质上电湿润的现象。
图1 微型仪器上的液体的介质上电湿润反应
电压与接触角改变量之间的数学关系通过李普曼杨氏方程[6]表达出来。
（3）
是固体表面液体的初始接触角，是固液相的表面张力，c是单位面积的电容量，是当液体与导体之间的电压为V时对应的接触角。
实验步骤
防止镓铟锡合金被氧化
在处理镓铟锡合金时主要的问题是在空气之中的快速氧化，在微尺度下，因为面体比大，所以（处理氧化问题）极为重要，以致在直径为1~2mm时液滴会形成一个特殊的非球面外形，甚至在充满氮气手套箱（VAC 101965）中仅仅有0.2%的氧气，如图2（a）所示。更进一步，在约20ppm的微量氧气中，微液滴表现的更像是胶体而不像真正的液体。镓铟锡合金快速氧化特性是使它罕见，以及在微电子领域用它的液滴所制设备的发展缓慢的原因之一。最终，箱中的氧气浓度达到限值（约0.1ppm）时，镓铟锡合金氧化不明显。我们的观察结果列于表格1之中。这种环境下，我们第一次可以准确测量镓铟锡合金的表面张力以及在固体表面时的接触角。我们的设计的实验和测量都在0.5ppm以下的氧浓度和湿度的手套箱中进行。
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表1. 镓铟锡合金液滴在不同的氧浓度时的反应 |
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氧气 |
现象 |
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0.2~0.9% |
在配比的瞬间被氧化，液滴的表面呈明显的非球面形状。 |
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~20ppm |
液滴表面呈球面，但是表现的更像是胶体而非真正的液体。 |
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lt;1ppm |
液滴表现的像真正的液体。 |
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lt;0.5ppm |
液滴表现的像真正的液体,本报告中的所有数据的测量环境。 |
图2（a）在配比的瞬间被氧化，液滴的表面呈明显的非球面形状，甚至在充满氮气手套箱（VAC 101965）中仅仅约有0.2%的氧气。
（b）氧气浓度达到限值1ppm以下时，液滴表面呈球面，液滴表现的像真正的液体。
表面张力的测量
在前人的工作[5,7]中，这些实验都会小心设计以防一些导致误差的小细节发生，比如说光照环境、振动、相机抖动、由于像素有限致使液滴的边界测定失败等等。为了用垂滴法准确测定镓铟锡合金的表面张力，所有实验操作均在振动隔离板上进行。用一个铅锤作为垂直参考线，可以纠正相机微小的抖动。在悬滴加上赤道是可取的，这可以最大可能地避免由于相机的分辨率有限导致的像素误差。用垂滴法测定液滴表面张力的实验装置如图3 所示。
图3. 用垂滴法测定镓铟锡合金表面张力的原理图
下面给出测定时的步骤细节。首先，测量洗液管/注射器的合适尺寸已得到细长的悬滴外形。然后，用顶端带有玻璃洗液管的注射器得到一个稳定的悬滴。悬滴生长直到下落的全过程要用摄像机记录。然后，在这个摄像机中获取快照。最后，在将所有照片传送至计算机程序计算之前，要旋转图像以消除由于相机抖动导致的外轮廓不对称。
使用固着液滴法与垂滴法测量表面张力时采用的是相同的程序。线张力对液滴外形影响要比毛细管长度（对液滴外形影响）更大；重力对液滴的扭曲变形作用要比毛细管长度（对液滴的扭曲作用）更大；使液滴尺寸接近于毛细管的长度可以提高测量精度。
接触角
带有针头（汉密尔顿注射器带有可动式不锈钢制针头）的注射器用以在基底表面产生镓铟锡合金液滴。在液滴成型步骤之后，镓铟锡合金要被连续且缓慢地从液滴中泵入或吸走，以使其动态影响最小化，液滴的演变过程被照相机以每秒28帧的比例记录下来。注意针尖相比垂滴要足够小以保证流动粘性不会使液滴外形失真[8]。
一帧一帧地观察录像，在液滴的接触线前进或者后退时快照被立刻拍下选出。之后，前进或者后退接触角会被一个内部的自动计算接触角的程序所计算出来。
介质上电湿润反应
介质上电湿润反应测试被设置在手套箱中进行。用钨探针来电激活镓铟锡合金的化学惰性。只有当电绝缘性最小化的照片被拍到时，直流电源才会被打开。
结果与讨论
表面张力测量
在垂滴法的情形中，为了在整个照片（宽：高=30:47）中得到完整的垂滴（被重力拉长），计算得到的最合适的洗液管直径是0.71mm至2.04mm。注意，这里的直径是洗液管的内径，最后在我们的实验中，镓铟锡合金没有湿润原玻璃。尽管镓铟锡合金通常被认为会湿润包括玻璃在内的任何表面，基于我们的实验，可以得出结论，这种大众的观点是错误的。这其实是镓铟锡合金的氧化物产生了湿润的外观。镓的相似行为也有报道[9]，其氧化物会强化湿润。
我们从大于90分钟的录像中随机剪取了80分钟的片段，包含了每一秒的一张快照。因此，获得了4800张快照，得到4800个数据点使得我们可以进行数据分析，获得准确的分析结果采用箱线图（如图4所示）来生动描述计算结果的不同，不带任何的潜在的数据分布假设。注意，我们数据的最大部分会产生多个异常值，附加记录在图4（a）中。为了更加清晰地展现其分布，一些正常的概率点画在图5上。结果很好的服从正态分布，这与观测误差服从正态分布的一般假设相一致。再次测试后超时（大于2小时），但是结果不变，反映出没有氧化反应。
像素误差是使用数字图像测量表面张力时最大的测量误差。公认的是像素误差是由数字图有限造成的。因此，在我们最后的结果中的这个误差在。值得注意的是隔振板的作用是相当重要的。当我们不采用隔振板时，结果的离散约为，甚至于要采用人工筛选的方法才能降低振动效应。
图4.（a）箱线图表示镓铟锡合金的表面张力的测试结果
（b）箱线图的主要部分
图5. 镓铟锡合金的表面张力的测试结果的拟合点
如上所述，使用垂滴法，在氮气中，温度28（采用Ever-Safe N16B 有机玻璃中填充MCT的经典温度计测量）时，测量的镓铟合金的表面张力是。
相比于垂滴法，固着液滴法有一个固有的缺点：必须校准相机以准确获得转变像素到实际尺寸的比例因子。但是在测量与校准之间的微小的光学器件会引入误差，破坏放大液滴图像的优势。虽然使用现有的仪器我们很难获得准确的比例因子，但是我们仍然可以采用固着液滴法作为另外的一种参考。采用固着液滴法测得结果为，比垂滴法测得的略大。
接触角
在玻璃表面（碱石灰玻璃，Fisherfinest显微
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