Spiegel und andere reflektierende optische Komponenten werden typischerweise durch die Verwendung optischer Beschichtungen oder Polierverfahren hergestellt. Der Ansatz der Forscher, der von einem Team unter der Leitung von Yuji Oki von der Kysuhu University in Zusammenarbeit mit einem Team der North Carolina State University unter der Leitung von Michael Dickey entwickelt wurde, nutzte eine elektrisch angetriebene reversible chemische Reaktion, um eine reflektierende Oberfläche auf dem flüssigen Metall zu erzeugen.

Das Umschalten zwischen reflektierendem und streuendem Zustand kann mit nur 1,4 V erfolgen, etwa der gleichen Spannung, die zum Leuchten einer typischen LED verwendet wird, und bei Umgebungstemperaturen.

Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, die Oberfläche von Flüssigmetall dynamisch zwischen reflektierenden (oben links und unten rechts) und streuenden Zuständen (oben rechts und unten links) umzuschalten. Wenn Strom angelegt wird, oxidiert eine reversible chemische Reaktion das flüssige Metall, wodurch Kratzer entstehen, die das Metall zerstreuen lassen. Mit freundlicher Genehmigung von Keisuke Nakakubo, Universität Kyushu.

„In naher Zukunft könnte diese Technologie verwendet werden, um Werkzeuge für Unterhaltung und künstlerischen Ausdruck zu schaffen, die noch nie zuvor verfügbar waren“, sagte Oki. „Mit weiterer Entwicklung könnte es möglich sein, diese Technologie zu etwas zu erweitern, das ähnlich wie der 3D-Druck funktioniert, um elektronisch gesteuerte Optiken aus flüssigen Metallen herzustellen. Dies könnte es ermöglichen, die Optik, die in lichtbasierten Gesundheitstestgeräten verwendet wird, einfach und kostengünstig in Gebieten der Welt herzustellen, in denen es keine medizinischen Laboreinrichtungen gibt.“

In der Arbeit schufen die Forscher ein Reservoir mit einem eingebetteten Strömungskanal. Anschließend nutzten sie ein „Push-Pull-Verfahren“, um optische Oberflächen zu formen, indem sie entweder flüssiges Metall auf Galliumbasis in das Reservoir pumpten oder es absaugen. Mit diesem Verfahren wurden konvexe, ebene oder konkave Oberflächen mit jeweils unterschiedlichen optischen Eigenschaften erzeugt.

Durch die Anwendung von Strom induzierte das Team eine reversible chemische Reaktion, die das flüssige Metall in einem Prozess oxidiert, der das Volumen der Flüssigkeit so verändert, dass viele kleine Kratzer auf der Oberfläche entstehen, die Licht streuen.

Wird Strom in die entgegengesetzte Richtung angelegt, kehrt das flüssige Metall in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls entfernt die Kratzer und bringt es in einen sauberen reflektierenden Spiegelzustand zurück.

„Unsere Absicht war es, die Oberflächenspannung durch Oxidation zu verändern und die Oberfläche des flüssigen Metalls zu verstärken“, sagt Oki. „Wir haben jedoch festgestellt, dass sich die Oberfläche unter bestimmten Bedingungen spontan in eine Streufläche verwandelt. Anstatt dies als Fehlschlag zu betrachten, haben wir die Bedingungen optimiert und das Phänomen verifiziert.“

Tests zeigten, dass eine Änderung der Spannung an der Oberfläche von –800 mV auf +800 mV die Lichtintensität verringern würde, wenn die Oberfläche von reflektierend zu streuend wechselte. Die elektrochemischen Messungen ergaben, dass eine Spannungsänderung von 1.4 V ausreicht, um Redoxreaktionen mit guter Reproduzierbarkeit zu erzeugen.

„Wir haben auch festgestellt, dass die Oberfläche unter bestimmten Bedingungen leicht oxidiert werden kann und dennoch eine glatte reflektierende Oberfläche behält“, sagte Oki. „Wenn man dies kontrolliert, könnte es möglich sein, mit diesem Ansatz noch vielfältigere optische Oberflächen zu schaffen, die zu Anwendungen in fortschrittlichen Geräten wie biochemischen Chips führen oder zur Herstellung von 3D-gedruckten optischen Elementen verwendet werden könnten.“