Todo lo que necesita saber sobre los materiales de metal líquido

El galio puede mantenerlo en un material metálico líquido al tiempo que conserva la flexibilidad mecánica y la rigidez eléctrica de un medio sólido a temperatura ambiente. Este artículo describe las propiedades fisicoquímicas, los métodos de síntesis y las aplicaciones potenciales de estos extraordinarios metales blandos, como la electrónica flexible, la robótica blanda, las estructuras autorreparadoras y mucho más. Descubra lo que están haciendo los científicos con los materiales metálicos líquidos que tienen propiedades que pueden modificarse entre los estados sólido y líquido.

Materiales de metal líquido: Fabricación con cambio de forma

A diferencia de los materiales metálicos líquidos convencionales, ciertas composiciones de aleación de galio alcanzan un estado fluido a temperatura ambiente o cerca de ella debido a sus puntos de fusión muy bajos. Esto permite transiciones dinámicas entre las fases sólida y líquida con pequeños ajustes de temperatura. Cuando se combinan con la conductividad eléctrica, estas transiciones reversibles permiten aplicaciones que van desde los circuitos autorregenerativos hasta la robótica reconfigurable. Aquí presentamos algunas características específicas, propiedades y usos potenciales de las aleaciones líquidas basadas en galio, así como algunos de los enfoques novedosos para crear y modelar estructuras utilizando estos versátiles materiales blandos.

Las aleaciones de galio y el futuro de los metales líquidos estructurados a temperatura ambiente

El galio es un metal blando y plateado que se encuentra en estado sólido a temperatura ambiente. Sin embargo, cuando el galio se asocia con otros metales como el indio y el estaño, el resultado son aleaciones o mezclas que permanecen en estado líquido a temperatura ambiente. Estos materiales especiales de metal líquido poseen algunas características bastante singulares, así que veámoslos con más detalle.

Tres aleaciones de galio son Galinstan, EGaIn y el metal de Field. El galinstan es una aleación compuesta de galio, indio y estaño. EGaIn es una aleación metálica de naturaleza líquida y fluida hecha de indio y galio. y estaño. El EGaIn es una mezcla de galio e indio. El campo fabricación de chapa metálica contiene bismuto, indio y estaño. Todas estas aleaciones se funden por debajo de los 30 grados Celsius, lo que significa que pueden cambiar fácilmente de sólido a líquido con sólo calentarse o enfriarse un poco.

Una cosa sorprendente de los metales líquidos es que fluyen como el agua pero conducen bien la electricidad como los metales normales. Esto los hace útiles para aplicaciones que necesitan flexibilidad y conductividad eléctrica. Pueden rellenar fácilmente formas extrañas y se amoldarán a las superficies que toquen.

Dado que los materiales metálicos líquidos son mezclas de diferentes elementos, sus puntos de fusión son más bajos que los de cualquiera de los metales puros por sí solos. El galinstán se funde alrededor de los -19 grados Celsius, el EGaIn alrededor de los 15 grados y el metal de Field alrededor de los 62 grados. Cerca de la temperatura ambiente, permanecen líquidos pero pueden solidificarse brevemente enfriando una pequeña cantidad.

La capacidad de cambiar reversiblemente de fase de sólido a líquido abre nuevas posibilidades. Los dispositivos fabricados con aleaciones de galio pueden autorrepararse si su estructura se ve alterada, ya que el metal puede volver a fluir. Su suavidad también hace que los metales líquidos sean más seguros que los materiales rígidos si los circuitos motorizados tienen que interactuar con personas.

En general, los metales líquidos a temperatura ambiente ofrecen una combinación de propiedades que no se encuentran en los tradicionales fabricación de metal sólido u otros materiales. Su conductividad eléctrica permite su integración en aplicaciones electrónicas y energéticas, mientras que su fluidez aporta flexibilidad. Muchos investigadores están explorando los usos de las aleaciones de galio en sensores, dispositivos biomédicos, estructuras autoensamblables y mucho más. Sólo el tiempo dirá cómo estos extraordinarios materiales multifuncionales pueden transformar la tecnología.

Aplicaciones de los metales líquidos de baja fusión

Dado que los metales líquidos pueden actuar como alambres que se doblan y pliegan sin romperse, resultan muy útiles para la electrónica flexible. Los investigadores han creado transistores y circuitos integrados de materiales de metal líquido que conservan su funcionalidad incluso cuando se estiran o retuercen. Las pantallas fabricadas con aleaciones de galio pueden reconfigurar sus patrones de píxeles cuando la pantalla se aplasta o se dobla.

Otra aplicación utiliza la capacidad de los metales líquidos para curarse a sí mismos. Los circuitos fabricados con diminutas gotas de aleación de galio pueden reparar automáticamente las roturas en las vías conductoras. Si un enlace se rompe por desgaste o daño, el metal líquido puede reintegrarse y restaurar la conexión. Esto permite crear dispositivos electrónicos autorreparables con interconexiones a prueba de roturas.

La robótica blanda es otra área que se beneficia de metal rentable tecnologías de materiales. Las aleaciones de galio inyectadas en elastómeros pueden construir robots con formas ajustables cuando se exponen a campos magnéticos o eléctricos. Las estructuras modulares complejas también pueden autoensamblarse a partir de componentes de metal líquido guiados por controles externos.

Algunos proyectos innovadores utilizan incluso la flotabilidad del metal líquido. Las microburbujas inyectadas en aleaciones de galio las hacen menos densas que el agua. Esto permite diseñar robots flotantes, balsas reconfigurables y exoesqueletos que distribuyen el peso por todo el cuerpo. Los dispositivos de asistencia ligeros o los vehículos acuáticos podrían ayudar a ampliar las capacidades humanas.

Desde artilugios flexibles hasta circuitos autocurativos y robots transformables, los avances en la síntesis y manipulación de aleaciones de galio están impulsando nuevas aplicaciones. La capacidad de los materiales de metal líquido para integrar sin problemas conductividad, fluidez y conformación externa abre puertas en campos como la sanidad, las infraestructuras y otros. Seguro que un mayor desarrollo dará lugar a muchos más usos innovadores.

Estructuras reconfigurables mediante transiciones de fase de metal líquido

Morphing 2D de películas de metal líquido

Los investigadores han desarrollado técnicas para transformar dinámicamente materiales metálicos líquidos en formas 2D definidas por el usuario utilizando un efecto de tensión superficial programado eléctricamente. Aplicando diferencias de tensión a través de técnicas de fabricación de metales inyectadas en sustratos de elastómero, el paisaje energético de la superficie puede reducirse selectivamente en zonas designadas del patrón. Esto permite el reposicionamiento a la orden y la programación dinámica de la geometría y la posición del metal líquido a temperatura ambiente.

Metamateriales de metal líquido accionados magnéticamente

Otro enfoque utiliza metamateriales de materiales metálicos líquidos accionados magnéticamente. Mediante la incorporación de minúsculas gotas o microcanales de aleación de galio en estructuras compuestas elastoméricas, los campos magnéticos aplicados pueden deformar y reconfigurar su forma general. Las tensiones inducidas por el campo deforman las plantillas líquidas dentro del sustrato, alterando tanto la geometría externa como la conectividad interna. Propiedades como la densidad, la estructura de los poros y el patrón de inclusión pueden ajustarse mediante la programación magnética del comportamiento de la fase sólido-líquido del metal líquido.

Reconfigurable Impreso en 3D Los materiales de celosía de metal líquido combinan estas técnicas. Los enfoques de fabricación híbridos dan lugar a estructuras reticulares rellenas de galio cuya geometría de armazón y configuración de celda unitaria pueden controlarse dinámicamente. La solidificación reversible abre funcionalidades desplegables y autorrecuperables, mientras que la conductividad permite diversas aplicaciones, desde sensores biomédicos y robots blandos hasta electrónica desplegable y lentes o escudos electromagnéticos reconfigurables.

Metales líquidos a temperatura ambiente para la electrónica flexible

Aleaciones y circuitos de metal líquido

Un desarrollo clave utilizó la aleación eutéctica de baja fusión de galio e indio, conocida como EGaIn. Los investigadores de Carnegie Mellon sintetizaron este metal en gotas microscópicas que podían actuar como píxeles reprogramables. Cuando se aplicaban voltajes minúsculos, los conectores líquidos podían unir o separar rutas de circuitos de forma similar a los transistores de estado sólido. Esto introdujo un nuevo paradigma para los circuitos autorreparables que pueden restaurar la conectividad mediante la redistribución de fluidos.

Transistores de metal líquido y pantallas

Teóricamente, la maleabilidad y la conductividad de los materiales de metal líquido los hacen muy adecuados para desarrollar la electrónica flexible de próxima generación. Algunas aplicaciones notables que se están estudiando son las pantallas reescribibles y plegables que utilizan píxeles de metal líquido. Las láminas de estas aleaciones dinámicas para pantallas podrían plegarse, retorcerse y cambiar de forma sin romper los circuitos. La tecnología podría encontrar uso en pieles electrónicas que se ajusten a superficies no rígidas como el cuerpo humano.

Recubrimientos conformados para circuitos estirables

Para hacer posibles los circuitos de materiales metálicos líquidos, es crucial la deposición cuidadosa de recubrimientos finos y uniformes sobre sustratos elásticos. Se ha demostrado que técnicas como el revestimiento por centrifugación y el colado al vacío permiten aplicar capas de aleaciones de galio en películas de sólo unos micrómetros de grosor. Combinados con los diseños tradicionales de circuitos elásticos, estos recubrimientos líquidos conformes permiten crear dispositivos electrónicos vestibles y biointegrados que siguen siendo altamente funcionales incluso bajo tensión física o distorsión. Las aplicaciones potenciales van desde los sensores médicamente integrados hasta los tejidos inteligentes conformables.

Autocuración mediante el cambio de fase del metal líquido

Absorción de energía recuperable en celosías de metal líquido

Los investigadores han Impresión metálica en 3D Entramados a base de elastómeros con un andamiaje interno de vetas de materiales metálicos líquidos. Someter estos materiales a una carga mecánica hace que el componente líquido se deforme plásticamente dentro del entramado elástico de polímeros. Tras la descarga, la solidificación del líquido y su posterior recalentamiento permite que la configuración original del entramado se autorrestablezca mediante un efecto de memoria de forma. Esto permite a las estructuras absorber y recuperarse repetidamente de grandes impactos o deformaciones.

Rigidez sintonizable mediante el control de la temperatura

Otra estrategia de autocuración consiste en modular la temperatura ambiente para dirigir las transiciones sólido-líquido de los materiales de metal líquido. Los compuestos que contienen una proporción de aleación de galio se endurecerán de forma natural al solidifica con el enfriamiento, y ablandarse de nuevo al recalentarse por encima de su punto de fusión. Los trabajos preliminares han demostrado materiales que pueden ajustar selectivamente su rigidez efectiva "a demanda" variando las condiciones ambientales.

Conectividad dinámica programable en campo

Un enfoque más activo aplica estímulos externos para dirigir la redistribución de los materiales de metal líquido. Por ejemplo, los compuestos que contienen vías eléctricas pueden cicatrizar cortes o brechas cuando se hace pasar una corriente. Del mismo modo, los daños estructurales pueden desencadenar el recrecimiento de venas de metal líquido mediante campos electromagnéticos localizados. Esto proporciona una forma tanto de autorreparar las redes conectivas existentes como incluso de reprogramar configuraciones y topologías totalmente nuevas.

Conclusión

En conclusión, las aleaciones de materiales metálicos líquidos a base de galio presentan propiedades extraordinarias que abren nuevas posibilidades para los materiales avanzados. Su capacidad para experimentar cambios reversibles de fase sólido-líquido justo por encima de la temperatura ambiente les confiere un comportamiento multifuncional a diferencia de los metales rígidos convencionales. La fluidez de los metales líquidos permite la remodelación estructural y la autocuración mediante la redistribución del líquido o la solidificación. Mientras tanto, su conductividad eléctrica permite aplicaciones en electrónica flexible, robótica blanda y dispositivos electromagnéticos reconfigurables. La investigación en curso sigue desvelando nuevas formas de fabricar, funcionalizar y dirigir el comportamiento de estos materiales extraordinarios. Con un mayor desarrollo, los metales líquidos son muy prometedores para revolucionar campos como los implantes biomédicos, la maquinaria personalizable y las tecnologías desplegables.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué tienen de especial las aleaciones de galio que las hacen líquidas a temperatura ambiente?

R: El galio puro se funde justo por encima de la temperatura ambiente. Alearlo con otros metales como el indio y el estaño reduce aún más el punto de fusión, en algunos casos por debajo de 0°C. Sus composiciones específicas permiten que estas mezclas de galio permanezcan líquidas en condiciones normales de interior/exterior.

P: ¿Cómo se da forma a los materiales de metal líquido?

R: Al igual que los materiales tradicionales, a los que se puede dar forma aplicando presión o calor o mediante métodos de fundición, los materiales de metal líquido pueden formarse mediante técnicas amorfas como las utilizadas en la impresión 3D, el moldeo por inyección o el recubrimiento por centrifugación o inmersión. Su forma también puede controlarse tras el sinterizado aprovechando factores como la aplicación de campos magnéticos, corrientes o cambios de temperatura que hacen que el material experimente ciclos de solidificación - licuación - solidificación.

P: Algunas de las posibles aplicaciones de las tecnologías de metal líquido son:

R: Algunas de las áreas que se investigan activamente en este campo abarcan la electrónica extensible y ponible, los circuitos y la electrónica sanables, la robótica blanda, las estructuras sintonizables y las interfaces morphing. La característica de flexibilidad que permite comportarse como un fluido pero también conducir la electricidad revela nuevas oportunidades en ámbitos como los wearables, los implantes biomédicos y las estructuras desplegables.