stringtranslate.com

Жидкий металл

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

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]

Тепловая и электропроводность

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

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.

Смачивание металлических и неметаллических поверхностей

Галлий смачивает кожу, как показано здесь.

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.

Приложения

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нойманн, Тейлор В.; Дики, Майкл Д. (2020). «Прямая запись жидким металлом и 3D-печать: обзор». Передовые технологии материалов . 5 (9): 2000070. doi : 10.1002/admt.202000070 . ISSN  2365-709X.
  2. ^ Мьюз, Ян-Майкл; Швердтфегер, Питер (11 февраля 2021 г.). «Исключительно релятивистский: периодические тенденции в температурах плавления и кипения группы 12». Ангеванде Хеми . 60 (14): 7703–7709. дои : 10.1002/anie.202100486 . ПМК 8048430 . ПМИД  33576164. 
  3. ↑ abc Кляйнер, Курт (3 мая 2022 г.). «Галлий: жидкий металл, который может изменить мягкую электронику». Знающий журнал . doi : 10.1146/knowable-050322-2 . Проверено 31 мая 2022 г.
  4. ^ abc Тан, Ши-Ян; Табор, Кристофер; Калантар-Заде, Курош; Дики, Майкл Д. (26 июля 2021 г.). «Жидкий металл Галлий: эликсир дьявола». Ежегодный обзор исследований материалов . 51 (1): 381–408. Бибкод : 2021AnRMS..51..381T. doi : 10.1146/annurev-matsci-080819-125403 . ISSN  1531-7331. S2CID  236566966.
  5. ^ Куньцюань, Ма; Цзин, Лю (октябрь 2007 г.). «Управление жидким металлом компьютерных чипов». Границы энергетики и энергетики Китая . 1 (4): 384–402. дои : 10.1007/s11708-007-0057-3. ISSN  1673-7504. S2CID  195071023.
  6. ^ Майнер, А.; Гошал, У. (19 июля 2004 г.). «Охлаждение микроустройств большой мощности с использованием жидкометаллических теплоносителей». Письма по прикладной физике . 85 (3): 506–508. Бибкод : 2004АпФЛ..85..506М. дои : 10.1063/1.1772862. ISSN  0003-6951.
  7. ^ Крауссер, Дж.; Самвер, К.; Закконе, А. (2015). «Мягкость межатомного отталкивания напрямую контролирует хрупкость переохлажденных металлических расплавов». Труды Национальной академии наук США . 112 (45): 13762–13767. arXiv : 1510.08117 . Бибкод : 2015PNAS..11213762K. дои : 10.1073/pnas.1503741112 . ПМЦ 4653154 . ПМИД  26504208. 
  8. ^ 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.
  9. ^ Уэйд, К.; Банистер, Эй Джей (1975). Химия алюминия, галлия, индия и таллия . Пергамские тексты в неорганической химии. Том. 12. ASIN  B0007AXLOA.
  10. ^ Лион, Ричард Н., изд. (1952). Справочник по жидким металлам (2-е изд.). Вашингтон{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  11. ^ Лю, Т.; С., Просенджит; Ким, К.-Дж. (апрель 2012 г.). «Характеристика нетоксичного жидкометаллического сплава галинстана для применения в микроустройствах». Журнал микроэлектромеханических систем . 21 (2): 443–450. CiteSeerX 10.1.1.703.4444 . дои : 10.1109/JMEMS.2011.2174421. S2CID  30200594. 
  12. ^ Материалы термоинтерфейса из жидкого металла
  13. ↑ Грабб, Джефф (7 октября 2020 г.). «В PlayStation 5 используется жидкий металл — вот почему это круто». ВенчурБит . Проверено 19 декабря 2020 г.
  14. ^ «Дебют 3D-печати жидким металлом» . Мир автоматизации . 18 февраля 2021 г. Проверено 23 июля 2022 г.
  15. ^ 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 . ПМЦ 7696291 . ПМИД  33182535. 
  16. ^ Дики, Майкл Д; Кьечи, Райан С; Ларсен, Райан Дж; Вайс, Эмили А; Вайц, Дэвид А; Уайтсайдс, Джордж М. (2008). «Эвтектический галлий-индий (EGaIn): жидкометаллический сплав для формирования стабильных структур в микроканалах при комнатной температуре». Передовые функциональные материалы . 18 (7): 1097–1104. дои : 10.1002/adfm.200701216. S2CID  538906.
  17. ^ Ляо, Цзяхэ (2022). Жидкометаллические приводы (кандидатская диссертация). Университет Карнеги Меллон.
  18. ^ Маджиди, Кармель (2021). «Жидкоподобные мягкие машины с жидким металлом». Иметь значение . 4 (2): 336–337. дои : 10.1016/j.matt.2021.01.009 .
  19. ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель (2021). «Мягкие приводы электрохимическим оксидированием поверхностей жидких металлов». Мягкая материя . 17 (7): 1921–1928. Бибкод : 2021SMat...17.1921L. дои : 10.1039/D0SM01851A. PMID  33427274. S2CID  231577619.
  20. ^ Рассел, Лорен; Виссман, Джеймс; Маджиди, Кармель (18 декабря 2017 г.). «Жидкометаллический привод, приводимый в движение электрохимическим манипулированием поверхностным натяжением». Письма по прикладной физике . 111 (25): 254101. Бибкод : 2017ApPhL.111y4101R. дои : 10.1063/1.4999113 .
  21. ^ Хан, Мохаммад Рашед; Икер, Коллин Б; Боуден, Эдмонд Ф; Дики, Майкл Д. (2014). «Гигантская и переключаемая поверхностная активность жидкого металла посредством поверхностного окисления». Труды Национальной академии наук . 111 (39): 14047–14051. Бибкод : 2014PNAS..11114047K. дои : 10.1073/pnas.1412227111 . ПМК 4191764 . ПМИД  25228767. 
  22. ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель (2022). «Линейные приводы, основанные на мышцах, путем электрохимического окисления мостиков из жидкого металла». Передовая наука . 9 (26): 2201963. doi :10.1002/advs.202201963. ПМЦ 9475532 . ПМИД  35863909. 
  23. ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель; Ситти, Метин (2023). «Жидкометаллические приводы: сравнительный анализ срабатывания, управляемого поверхностным натяжением». Передовые материалы . 36 (1): 2300560. doi :10.1002/adma.202300560. hdl : 20.500.11850/641439 . ПМИД  37358049.