stringtranslate.com

Жидкий металл

Жидкий металлический галлий при температуре 30°C (86°F).

Жидкий металл — это металл или металлический сплав , который находится в жидком состоянии при комнатной температуре или около нее . [1]

Единственным стабильным жидким элементарным металлом при комнатной температуре является ртуть (Hg), которая плавится выше −38,8 °C (234,3 K, −37,9 °F). Три более стабильных элементарных металла плавятся чуть выше комнатной температуры: цезий (Cs), температура плавления которого составляет 28,5 °C (83,3 °F); галлий (Ga) (30 °C [86 °F]); и рубидий (Rb) (39 °C [102 °F]). Радиоактивный металл франций (Fr), вероятно, также является жидким вблизи комнатной температуры. Расчеты предсказывают, что радиоактивные металлы коперниций (Cn) и флеровий (Fl) также должны быть жидкими при комнатной температуре. [2]

Сплавы могут быть жидкими, если они образуют эвтектику , что означает, что температура плавления сплава ниже, чем у любого из металлов, входящих в состав сплава. Стандартным металлом для создания жидких сплавов раньше была ртуть , но сплавы на основе галлия , которые имеют более низкое давление паров при комнатной температуре и токсичность, используются в качестве замены в различных приложениях. [3] [4]

Тепло- и электропроводность

Системы сплавов, которые являются жидкими при комнатной температуре, имеют теплопроводность, намного превосходящую теплопроводность обычных неметаллических жидкостей, [5] что позволяет жидкому металлу эффективно передавать энергию от источника тепла к жидкости. Они также имеют более высокую электропроводность, что позволяет более эффективно перекачивать жидкость электромагнитными насосами. [6] Это приводит к использованию этих материалов для удельной теплопроводности и/или рассеивания тепла.

Еще одним преимуществом систем жидких сплавов является присущая им высокая плотность.

Вязкость

Вязкость жидких металлов может сильно различаться в зависимости от атомного состава жидкости, особенно в случае сплавов. В частности, температурная зависимость вязкости жидких металлов может варьироваться от стандартной зависимости закона Аррениуса до гораздо более крутой (неаррениусовской) зависимости, такой как эмпирически заданная уравнением Фогеля-Фулчера-Таммана . Также была разработана физическая модель вязкости жидких металлов, которая охватывает эту большую изменчивость с точки зрения лежащих в основе межатомных взаимодействий. [7]

Электрическое сопротивление жидкого металла можно оценить с помощью формулы Зимана, которая выражает сопротивление через статический структурный фактор жидкости, который можно определить с помощью измерений нейтронного или рентгеновского рассеяния .

Смачивание металлических и неметаллических поверхностей

Галлий смачивает кожу, как показано здесь.

После удаления оксидов с поверхности подложки большинство жидких металлов будут смачивать большинство металлических поверхностей. При комнатной температуре жидкие металлы часто реактивны и растворимы в металлических поверхностях, хотя некоторые твердые металлы устойчивы к воздействию обычных жидких металлов. [8] Например, галлий вызывает коррозию всех металлов, за исключением вольфрама и тантала , которые обладают высокой устойчивостью к коррозии, большей, чем ниобий , титан и молибден . [9]

Подобно индию , галлий и содержащие галлий сплавы обладают способностью смачивать многие неметаллические поверхности, такие как стекло и кварц . Осторожное втирание сплава в поверхность может помочь вызвать смачивание. Однако это наблюдение «смачивания путем втирания в стеклянную поверхность» создало широко распространенное заблуждение, что жидкие металлы на основе галлия смачивают стеклянные поверхности, как будто жидкость отделяется от оксидной пленки и смачивает поверхность. Реальность противоположна: оксид заставляет жидкость смачивать стекло. Более подробно: по мере того, как жидкость втирается и распределяется по стеклянной поверхности, жидкость окисляется и покрывает стекло тонким слоем оксидных (твердых) остатков, на которых смачивается жидкий металл. Другими словами, то, что видно, является жидким металлом на основе галлия, смачивающим свой твердый оксид, а не стекло. По-видимому, указанное выше заблуждение было вызвано сверхбыстрым окислением жидкого галлия даже в следовых количествах кислорода, т. е. никто не наблюдал истинного поведения жидкого галлия на стекле, пока исследования в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе не развенчали указанный выше миф, протестировав Galinstan , сплав на основе галлия, который является жидким при комнатной температуре, в среде без кислорода. [10] Примечание: эти сплавы образуют тонкую матово-выглядящую оксидную пленку, которая легко диспергируется при легком перемешивании . Поверхности без оксида яркие и блестящие.

Приложения

Благодаря своим превосходным характеристикам и методам производства жидкие металлы часто используются в носимых устройствах, медицинских приборах, взаимосвязанных устройствах и т. д. [3] [4]

Типичные области применения жидких металлов включают термостаты , переключатели , барометры , системы теплопередачи , а также конструкции термического охлаждения и нагрева. [11] Уникально то, что их можно использовать для передачи тепла и/или электричества между неметаллическими и металлическими поверхностями.

Жидкий металл иногда используется в качестве материала теплового интерфейса между охладителями и процессорами из-за его высокой теплопроводности. Игровая консоль PlayStation 5 использует жидкий металл для охлаждения высоких температур внутри консоли. [12] Реакторы с жидкометаллическим охлаждением также используют их.

Жидкий металл можно использовать для носимых устройств [4] [3] и для запасных частей. [13]

Жидкий металл иногда может использоваться для биологических приложений, то есть для создания соединений, которые гнутся без усталости. Поскольку галинстан не особенно токсичен, провода, изготовленные из силикона с сердечником из жидкого металла, были бы идеальными для внутрисердечных кардиостимуляторов и нейронных имплантатов, где нежная мозговая ткань не может переносить обычный твердый имплантат. Фактически, провод, изготовленный из этого материала, может быть растянут в 3 или даже 5 раз больше своей длины и все еще проводить электричество, возвращаясь к своему первоначальному размеру и форме без потерь. [14]

Благодаря уникальному сочетанию высокого поверхностного натяжения и жидкостной деформируемости жидкие металлы оказались замечательным материалом для создания мягких приводов . [15] [16] [17] Механизмы создания силы в жидкометаллических приводах обычно достигаются путем модуляции их поверхностного натяжения. [18] [19] [20] Например, капля жидкого металла может быть спроектирована так, чтобы соединять две движущиеся части (например, в роботизированных системах ) таким образом, чтобы генерировать сокращение при увеличении поверхностного натяжения. [21] Принципы мышечноподобного сокращения в жидкометаллических приводах были изучены на предмет их потенциала в качестве искусственной мышцы следующего поколения , которая предлагает несколько преимуществ, характерных для жидкости, по сравнению с другими твердыми материалами. [22]

Телескопы с жидкостным зеркалом могут использовать жидкие металлы, сформированные в параболу посредством вращающегося бака, чтобы служить главным зеркалом рефлекторного телескопа . [ 23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ньюманн, Тейлор В.; Дики, Майкл Д. (2020). «Жидкометаллическая прямая запись и 3D-печать: обзор». Advanced Materials Technologies . 5 (9): 2000070. doi : 10.1002/admt.202000070 . ISSN  2365-709X.
  2. ^ Мьюс, Ян-Майкл; Швердтфегер, Питер (11 февраля 2021 г.). «Исключительно релятивистский: периодические тенденции в точках плавления и кипения группы 12». Angewandte Chemie . 60 (14): 7703–7709. doi : 10.1002/anie.202100486 . PMC 8048430. PMID  33576164 . 
  3. ^ abc Kleiner, Kurt (3 мая 2022 г.). «Галлий: жидкий металл, который может преобразовать мягкую электронику». Knowable Magazine . doi : 10.1146/knowable-050322-2 . Получено 31 мая 2022 г. .
  4. ^ abc Tang, Shi-Yang; Tabor, Christopher; Kalantar-Zadeh, Kourosh; Dickey, Michael D. (26 июля 2021 г.). «Gallium Liquid Metal: The Devil’s Elixir». Annual Review of Materials Research . 51 (1): 381–408. Bibcode : 2021AnRMS..51..381T. doi : 10.1146/annurev-matsci-080819-125403 . ISSN  1531-7331. S2CID  236566966.
  5. ^ Куньцюань, Ма; Цзин, Лю (октябрь 2007 г.). «Управление жидкими металлами компьютерных чипов». Frontiers of Energy and Power Engineering in China . 1 (4): 384–402. doi :10.1007/s11708-007-0057-3. ISSN  1673-7504. S2CID  195071023.
  6. ^ Майнер, А.; Гошал, У. (2004-07-19). «Охлаждение микроустройств высокой плотности мощности с использованием жидкометаллических охладителей». Applied Physics Letters . 85 (3): 506–508. Bibcode : 2004ApPhL..85..506M. doi : 10.1063/1.1772862. ISSN  0003-6951.
  7. ^ Фу, Ю; Ли, Хунся; Тан, Кай; Ян, Шэнлань; Ши, Юэ; Лю, Бин; Ло, Цюнь; Чжан, Лицзюнь; Ли, Цянь; Пан, Фушэн (01 июня 2024 г.). «Вязкость расплава легких сплавов: прогресс и проблемы». Журнал материаловедения и технологий . 183 : 72–88. дои : 10.1016/j.jmst.2023.11.002. ISSN  1005-0302. S2CID  265424554.
  8. ^ Уэйд, К.; Банистер, А.Дж. (1975). Химия алюминия, галлия, индия и таллия . Pergamon Texts in Inorganic Chemistry. Том 12. ASIN  B0007AXLOA.
  9. ^ Lyon, Richard N., ред. (1952). Liquid Metals Handbook (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  10. ^ Liu, T.; S., Prosenjit; Kim, C.-J. (апрель 2012 г.). «Характеристика нетоксичного жидкометаллического сплава Galinstan для применения в микроустройствах». Журнал микроэлектромеханических систем . 21 (2): 443–450. CiteSeerX 10.1.1.703.4444 . doi :10.1109/JMEMS.2011.2174421. S2CID  30200594. 
  11. ^ Жидкометаллические теплопроводящие материалы
  12. ↑ Грабб, Джефф (7 октября 2020 г.). «PlayStation 5 использует жидкий металл — вот почему это круто». VentureBeat . Получено 19 декабря 2020 г.
  13. ^ "Liquid Metal 3D Printing Makes Its Debut". Automation World . 2021-02-18 . Получено 2022-07-23 .
  14. ^ Чжан, Минкуань; Ван, Сяохун ; Хуан, Чжипин; Рао, Вэй (2020). «Гибкие и имплантируемые биосенсоры на основе жидкого металла». Биосенсоры . 10 (11): 170. doi : 10.3390/bios10110170 . PMC 7696291. PMID  33182535. 
  15. ^ Дики, Майкл Д.; Чиечи, Райан К.; Ларсен, Райан Дж.; Вайс, Эмили А.; Вайц, Дэвид А.; Уайтсайдс, Джордж М. (2008). «Эвтектический галлий-индий (EGaIn): жидкий металлический сплав для формирования стабильных структур в микроканалах при комнатной температуре». Advanced Functional Materials . 18 (7): 1097–1104. doi :10.1002/adfm.200701216. S2CID  538906.
  16. ^ Ляо, Цзяхэ (2022). Жидкометаллические актуаторы (диссертация). Университет Карнеги-Меллона.
  17. ^ Маджиди, Кармель (2021). «Жидкоподобные мягкие машины с жидким металлом». Matter . 4 (2): 336–337. doi : 10.1016/j.matt.2021.01.009 .
  18. ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель (2021). «Мягкие актуаторы с электрохимическим окислением жидких металлических поверхностей». Soft Matter . 17 (7): 1921–1928. Bibcode : 2021SMat...17.1921L. doi : 10.1039/D0SM01851A. PMID  33427274. S2CID  231577619.
  19. ^ Рассел, Лорен; Виссман, Джеймс; Маджиди, Кармел (18 декабря 2017 г.). «Жидкометаллический актуатор, управляемый электрохимическим манипулированием поверхностным натяжением». Applied Physics Letters . 111 (25): 254101. Bibcode : 2017ApPhL.111y4101R. doi : 10.1063/1.4999113 .
  20. ^ Хан, Мохаммад Рашед; Икер, Колин Б.; Боуден, Эдмонд Ф.; Дики, Майкл Д. (2014). «Гигантская и переключаемая поверхностная активность жидкого металла через поверхностное окисление». Труды Национальной академии наук . 111 (39): 14047–14051. Bibcode : 2014PNAS..11114047K. doi : 10.1073/pnas.1412227111 . PMC 4191764. PMID  25228767 . 
  21. ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель (2022). «Линейные актуаторы, созданные на основе мускулов с помощью электрохимического окисления мостов из жидкого металла». Advanced Science . 9 (26): 2201963. doi :10.1002/advs.202201963. PMC 9475532 . PMID  35863909. 
  22. ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель; Ситти, Метин (2023). «Жидкометаллические актуаторы: сравнительный анализ актуаторов, управляемых поверхностным натяжением». Advanced Materials . 36 (1): 2300560. doi :10.1002/adma.202300560. hdl : 20.500.11850/641439 . PMID  37358049.
  23. ^ "Что такое LMT?". www.astro.ubc.ca . Получено 2024-10-02 .