Жидкий металл — это металл или металлический сплав , который является жидким при комнатной температуре или около нее . [1]
Единственным стабильным жидким элементарным металлом при комнатной температуре является ртуть (Hg), которая плавится при температуре выше -38,8 ° C (234,3 К, -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 находится в жидком состоянии при температуре, близкой к комнатной. 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 , а это 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]
Системы сплавов, которые являются жидкими при комнатной температуре , имеют теплопроводность , значительно превосходящую обычные неметаллические жидкости, [5] позволяя 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 специфической теплопроводности и/или рассеивания тепла.
Еще одним преимуществом систем жидких сплавов является присущая им высокая плотность.
Вязкость жидких металлов может сильно меняться 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 (не Аррениусовой) зависимости, такой как зависимость, определяемая эмпирически уравнением Фогеля-Фульчера-Таммана . Также была разработана физическая модель вязкости жидких металлов, которая отражает эту большую изменчивость с точки зрения основных межатомных взаимодействий. [7] [8]
Электрическое сопротивление жидкого металла можно оценить с помощью формулы Зимана, которая дает сопротивление через статический структурный фактор жидкости, который можно определить с помощью измерений рассеяния нейтронов или рентгеновских лучей.
После удаления оксидов с поверхности подложки большинство жидких металлов смачивают большинство металлических поверхностей. При комнатной температуре жидкие металлы часто реакционноспособны и растворимы на металлических поверхностях, хотя некоторые твердые металлы устойчивы к воздействию обычных жидких металлов. [9] Например, галлий вызывает коррозию всех металлов, кроме вольфрама и тантала , которые обладают более высокой устойчивостью к коррозии, чем ниобий , титан и молибден . [10]
Подобно индию , галлий и галлийсодержащие сплавы обладают способностью смачивать многие неметаллические поверхности, такие как стекло и кварц . Осторожное втирание сплава в поверхность может способствовать смачиванию. Однако это наблюдение «смачивания путем трения о поверхность стекла» породило широко распространенное заблуждение о том, что жидкие металлы на основе галлия смачивают стеклянные поверхности, как если бы жидкость отрывалась от оксидной пленки и смачивала поверхность. В действительности все наоборот: оксид заставляет жидкость смачивать стекло. Более подробно: по мере втирания и распределения жидкости по поверхности стекла жидкость окисляется и покрывает стекло тонким слоем оксидных (твердых) остатков, на которых смачивается жидкий металл. Другими словами, мы видим жидкий металл на основе галлия, смачивающий свой твердый оксид, а не стекло. По-видимому, приведенное 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 вышеуказанный миф путем тестирования Галинстан — сплав на основе галлия, жидкий при комнатной температуре и в бескислородной среде. [11] Примечание. Эти сплавы образуют тонкую тусклую оксидную пленку, которая легко диспергируется при легком перемешивании . Поверхности, не содержащие оксидов, яркие и блестящие.
Благодаря своим превосходным характеристикам и методам производства жидкие металлы часто используются в носимых устройствах, медицинских устройствах, взаимосвязанных устройствах и так далее. [3] [4]
Типичные области применения жидких металлов включают термостаты , переключатели , барометры , системы теплопередачи , а также конструкции теплового охлаждения и отопления. [12] Уникально то, что их можно использовать для проведения тепла и/или электричества между неметаллическими и металлическими поверхностями.
Жидкий металл иногда используется в качестве материала термоинтерфейса между кулерами и процессорами из-за его высокой теплопроводности. В игровой консоли PlayStation 5 используется жидкий металл для охлаждения высоких температур внутри консоли. [13] Их также используют в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем .
Жидкий металл можно использовать для изготовления носимых устройств [4] [3] и запасных частей. [14]
Жидкий металл иногда можно использовать в биологических целях, например, для создания межсоединений, которые сгибаются без усталости. Поскольку Галинстан не особенно токсичен, провода из силикона с сердцевиной из жидкого металла были бы идеальными для внутрисердечных кардиостимуляторов и нервных имплантатов, где деликатная ткань мозга не может переносить обычный твердый имплантат. Фактически, провод, изготовленный из этого материала, можно растянуть в 3 или даже в 5 раз больше своей длины и при этом проводить электричество, возвращаясь к исходному размеру и форме без потерь. [15]
Благодаря уникальному сочетанию высокого поверхностного натяжения и жидкостной деформируемости жидкие металлы оказались замечательным материалом для создания мягких приводов . [16] [17] [18] Механизмы генерации силы в приводах из жидкого металла обычно достигаются за счет модуляции их поверхностного натяжения. [19] [20] [21] Например, каплю жидкого металла можно спроектировать так, чтобы она соединяла две движущиеся части (например, в роботизированных системах ) таким образом, чтобы генерировать сжатие при увеличении поверхностного натяжения. [22] Принципы мышечного сокращения в приводах из жидкого металла были изучены на предмет их потенциала в качестве искусственных мышц следующего поколения , которые предлагают несколько преимуществ, специфичных для жидкости, по сравнению с другими твердыми материалами. [23]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )