液态金属马达的宏观布朗运动现象被揭开

液态金属马达所产生氢气流的运动轨迹仰视图(其中刻度尺为1厘米)

液态金属马达产生氢气流并驱动自身运动的机制

（神秘的地球报道）据EurekAlert!：经典的布朗运动理论在一百多年前建立，描述了微观分子之间的无规则碰撞行为。最近，中国科学院理化技术研究所的科学家发现，由内在动力驱动的毫米级液态金属马达群在碱性溶液中也呈现出类似布朗运动的行为，且动力来自马达与容器底部接触处产生的氢气流。

1827年，英国植物学家布朗首次观察到了花粉迸射颗粒在水面上的无规则漂移行为，该现象被命名为布朗运动。而后物理学家对此进行了深入探索，试图建立一套理论来描述这种运动机理。半个多世纪后，麦克斯韦和玻尔兹曼建立的分子热运动理论逐渐成为一种可能解释。1905年，爱因斯坦发表论文对此进行深入量化探究，引入颗粒扩散常数和流体粘度构建公式，定量描述颗粒运动位移与时间的关系，在宏观现象与微观动力学之间建立起了桥梁。此后，法国物理学者佩兰开展一系列实验证实了这一理论。然而迄今为止，大部分关于布朗运动的研究均着重于微观的分子间作用，而鲜少有工作从宏观角度加以研究，且颗粒运动大多受周围液体分子无规运动撞击所致。

而这项研究发现，加入铝的液态金属镓铟合金小马达在碱性水溶液中也呈现出类似布朗运动的无规则运动现象。实验先将铝箔溶解到镓铟合金中，利用注射器快速产生大量直径约为1mm的液态金属马达。这些液态金属马达群在装有0.5mol/L的NaOH溶液的培养皿玻璃基底上以大约4cm/s的速度呈现出快速无规则运动行为，同时留下长约10cm的氢气泡轨迹。不同于经典的布朗运动，这种随机运动行为的主要动力受马达自身铝原子与溶液作用产生的氢气泡驱动，而非由周围流体分子碰撞所致。并且，这一机制与大尺寸液态金属机器主要受电化学诱发表面张力驱动的原理不同。此外，研究还设计了类似于威尔逊云室的光学对比试验平台，利用氢气与周围溶液对光的散射差异，清晰显示了液态金属马达运动过程中产生并留下的氢气流轨迹。这种光学对照技术也可为后续研究液态金属自驱动马达的运动行为及产氢机制提供重要工具。

这一研究丰富了经典布朗运动的内涵，具有重要的基础科学价值。它揭示了含铝液态金属马达群的氢气推动机理，并且为这种氢气轨迹的显示、定量刻画和研究提供了高清晰光学对照技术，对后续的自驱动液态金属马达以及产氢过程的研究有重要价值。

研究相关的论文刊登在近期出版的2015年第13期 Science Bulletin（《科学通报》英文版，pp.1203-1210）上，由中国科学院理化技术研究所刘静研究员担任通讯作者撰写。

该项研究部分得到了中国科学院研究基金（No. KGZD-EW-T04-4）资助。