Tout ce que vous devez savoir sur les matériaux à base de métal liquide

Le gallium peut se maintenir dans un matériau métallique liquide tout en conservant la flexibilité mécanique et la rigidité électrique d'un milieu solide à la température ambiante. Cet article décrit les propriétés physicochimiques, les méthodes de synthèse et les applications potentielles de ces extraordinaires métaux mous, tels que l'électronique souple, la robotique souple, les structures autocicatrisantes et bien d'autres encore. Découvrez ce que les scientifiques font avec le métal liquide Les matériaux métalliques dont les propriétés peuvent être modifiées entre l'état solide et l'état liquide.

Matériaux métalliques liquides : Une fabrication qui change de forme

Contrairement aux matériaux métalliques liquides conventionnels, certaines compositions d'alliage de gallium atteignent un état fluide à température ambiante ou proche de celle-ci, en raison de leur point de fusion très bas. Cela permet des transitions dynamiques entre les phases solide et liquide avec de faibles ajustements de température. Associées à la conductivité électrique, ces transitions réversibles permettent des applications allant des circuits auto-cicatrisants à la robotique reconfigurable. Nous présentons ici certaines caractéristiques, propriétés et utilisations potentielles des alliages liquides à base de gallium, ainsi que certaines des nouvelles approches de la création et du modelage de structures à l'aide de ces matériaux souples polyvalents.

Alliages de gallium et avenir des métaux liquides structurés à température ambiante

Le gallium est un métal doux et argenté qui se trouve à l'état solide à température ambiante. Néanmoins, lorsque le gallium est associé à d'autres métaux comme l'indium et l'étain, il en résulte des alliages ou des mélanges qui restent à l'état liquide à température ambiante. Ces matériaux métalliques liquides spéciaux possèdent des caractéristiques assez uniques, nous allons donc les examiner plus en détail.

Les trois alliages de gallium sont le Galinstan, l'EGaIn et le Field's metal. Le Galinstan est un alliage composé de gallium, d'indium et d'étain. EGaIn est un alliage métallique de nature liquide et fluide composé d'indium, de gallium et d'étain. EGaIn est un mélange de gallium et d'indium. Field's fabrication de tôles contient du bismuth, de l'indium et de l'étain. Tous ces alliages fondent à moins de 30 degrés Celsius, ce qui signifie qu'ils peuvent facilement passer de l'état solide à l'état liquide, simplement en chauffant ou en refroidissant un peu.

Les métaux liquides ont ceci d'étonnant qu'ils coulent comme de l'eau mais conduisent l'électricité comme des métaux normaux. Ils sont donc utiles pour les applications qui nécessitent flexibilité et conductivité électrique. Ils peuvent facilement prendre des formes bizarres et se conformer aux surfaces qu'ils touchent.

Les métaux liquides étant des mélanges de différents éléments, leur point de fusion est inférieur à celui de n'importe quel métal pur. Le galinstan fond à environ -19 degrés Celsius, l'EGaIn à environ 15 degrés et le métal de Field à environ 62 degrés. Près de la température ambiante, ils restent liquides mais peuvent être brièvement solidifiés en les refroidissant légèrement.

La capacité de changer de phase de manière réversible, de solide à liquide, ouvre de nouvelles possibilités. Les dispositifs fabriqués à partir d'alliages de gallium peuvent s'auto-guérir si leur structure est perturbée, car le métal peut se recomposer. Leur souplesse rend également les métaux liquides plus sûrs que les matériaux rigides si les circuits alimentés doivent interagir avec des personnes.

Globalement, les métaux liquides à température ambiante offrent une combinaison de propriétés que l'on ne retrouve pas dans les métaux traditionnels. fabrication de métaux solides ou d'autres matériaux. Leur conductivité électrique permet de les intégrer dans des applications électroniques et énergétiques, tandis que leur fluidité leur confère une certaine flexibilité. De nombreux chercheurs explorent les possibilités d'utilisation des alliages de gallium dans les capteurs, les dispositifs biomédicaux, les structures auto-assemblées, etc. Seul l'avenir nous dira comment ces remarquables matériaux multifonctionnels pourront transformer la technologie.

Applications des métaux liquides à bas point de fusion

Comme les métaux liquides peuvent agir comme des fils qui se plient et se replient sans se rompre, ils sont très utiles pour l'électronique flexible. Les chercheurs ont créé des transistors et des circuits intégrés à base de métaux liquides qui conservent leur fonctionnalité même lorsqu'ils sont étirés ou tordus. Les écrans fabriqués à partir d'alliages de gallium peuvent reconfigurer leurs motifs de pixels lorsque l'écran est écrasé ou plié.

Une autre application utilise la capacité des métaux liquides à se guérir eux-mêmes. Les circuits fabriqués à partir de minuscules gouttelettes d'alliage de gallium peuvent réparer automatiquement les ruptures dans les voies conductrices. Si un lien se rompt à cause de l'usure ou d'un dommage, le métal liquide peut se réintégrer et rétablir la connexion. Cela permet de créer des dispositifs électroniques autoréparables avec des interconnexions à l'épreuve des ruptures.

La robotique douce est un autre domaine qui bénéficie de l'aide de l métal rentable technologies des matériaux. Les alliages de gallium injectés dans des élastomères permettent de construire des robots dont la forme peut être ajustée lorsqu'ils sont exposés à des champs magnétiques ou électriques. Des structures modulaires complexes peuvent également s'auto-assembler à partir de composants métalliques liquides guidés par des commandes externes.

Certains projets innovants utilisent même la flottabilité des métaux liquides. Des microbulles injectées dans des alliages de gallium les rendent moins denses que l'eau. Cela permet de concevoir des robots flottants, des radeaux reconfigurables et des exosquelettes qui répartissent le poids sur le corps. Des dispositifs d'assistance légers ou des véhicules aquatiques pourraient contribuer à étendre les capacités humaines.

Des gadgets flexibles aux circuits auto-cicatrisants et aux robots transformables, les progrès réalisés dans la synthèse et la manipulation des alliages de gallium ouvrent la voie à de nouvelles applications. La capacité des matériaux métalliques liquides à intégrer en douceur la conductivité, la fluidité et le façonnage externe ouvre des portes dans des domaines tels que les soins de santé, les infrastructures et bien d'autres encore. La poursuite du développement ne manquera pas de déboucher sur de nombreuses autres utilisations innovantes.

Structures reconfigurables grâce aux transitions de phase des métaux liquides

Morphing 2D de films métalliques liquides

Des chercheurs ont mis au point des techniques permettant de transformer dynamiquement des matériaux métalliques liquides en formes 2D définies par l'utilisateur en utilisant un effet de tension superficielle programmé électriquement. En appliquant des différences de tension entre les les techniques de fabrication des métaux injectés dans des substrats élastomères, l'énergie de surface peut être abaissée de manière sélective dans des zones désignées. Cela permet un repositionnement sur commande et une programmation dynamique de la géométrie et de la position du métal liquide à température ambiante.

Métamatériaux métalliques liquides à actionnement magnétique

Une autre approche consiste à utiliser des métamatériaux à base de métaux liquides actionnés magnétiquement. En incorporant de minuscules gouttelettes ou microcanaux d'alliage de gallium dans des structures composites élastomères, les champs magnétiques appliqués peuvent déformer et reconfigurer leur forme générale. Les contraintes induites par les champs déforment les modèles liquides à l'intérieur du substrat, modifiant à la fois la géométrie externe et la connectivité interne. Les propriétés telles que la densité, la structure des pores et le modèle d'inclusion peuvent toutes être ajustées par la programmation magnétique du comportement de la phase solide-liquide du métal liquide.

Reconfigurable Imprimé en 3D Les matériaux en treillis métalliques liquides combinent ces techniques. Les approches de fabrication hybrides permettent d'obtenir des structures en treillis remplies de gallium dont la géométrie du cadre et la configuration des cellules unitaires peuvent être contrôlées de manière dynamique. La solidification réversible ouvre la voie à des fonctionnalités déployables et autorécupérables, tandis que la conductivité permet diverses applications allant des capteurs biomédicaux et des robots souples à l'électronique déployable et aux lentilles ou boucliers électromagnétiques reconfigurables.

Métaux liquides à température ambiante pour l'électronique flexible

Alliages et circuits de métaux liquides

L'alliage eutectique de gallium et d'indium à bas point de fusion, connu sous le nom d'EGaIn, a constitué un développement clé. Des chercheurs de Carnegie Mellon ont synthétisé ce métal en gouttelettes microscopiques pouvant agir comme des pixels reprogrammables. Lorsque de minuscules tensions sont appliquées, les connecteurs liquides peuvent relier ou séparer les circuits de la même manière que les transistors à l'état solide. Cela a introduit un nouveau paradigme pour les circuits autoréparables qui peuvent restaurer la connectivité par la redistribution des fluides.

Transistors et écrans à métal liquide

En théorie, la malléabilité et la conductivité des matériaux métalliques liquides les rendent bien adaptés au développement de l'électronique flexible de la prochaine génération. Parmi les applications notables à l'étude figurent les écrans réinscriptibles et pliables utilisant des pixels en métal liquide. Les feuilles de ces alliages d'affichage dynamiques pourraient se plier, se tordre et se remodeler sans briser les circuits. Cette technologie pourrait être utilisée dans les peaux électroniques qui s'adaptent aux surfaces non rigides comme le corps humain.

Revêtements conformes pour les circuits étirables

Pour réaliser des circuits de matériaux métalliques liquides, il est essentiel de déposer soigneusement des couches minces et régulières sur des substrats élastiques. Des techniques telles que l'enduction par centrifugation et la coulée sous vide ont permis de déposer des couches d'alliages de gallium sous forme de films de quelques micromètres d'épaisseur seulement. Associés aux circuits extensibles traditionnels, ces revêtements liquides souples permettent de créer des appareils électroniques portables et des dispositifs bio-intégrés qui restent hautement fonctionnels même en cas de contrainte physique ou de distorsion. Les applications potentielles vont des capteurs médicaux aux tissus intelligents conformes.

Auto-guérison par changement de phase du métal liquide

Absorption d'énergie récupérable dans les réseaux de métaux liquides

Les chercheurs ont Impression 3D de métaux des treillis à base d'élastomère avec un échafaudage interne de veines de matériaux métalliques liquides. En soumettant ces matériaux à une charge mécanique, le composant liquide se déforme plastiquement à l'intérieur du cadre polymère élastique. Lors de la décharge, la solidification du liquide et son réchauffement ultérieur permettent à la configuration originale du réseau de se rétablir grâce à un effet de mémoire de forme. Cela permet aux structures d'absorber et de récupérer de manière répétée des impacts ou des déformations importants.

Rigidité réglable par le contrôle de la température

Une autre stratégie d'autoréparation consiste à moduler la température ambiante pour diriger les transitions solide-liquide des matériaux métalliques liquides. Les composites contenant une proportion d'alliage de gallium se raidiront naturellement au fur et à mesure qu'ils se transforment. se solidifie Le matériau se ramollit en refroidissant et se ramollit à nouveau lorsqu'il est réchauffé au-delà de son point de fusion. Des travaux préliminaires ont démontré que les matériaux peuvent sélectivement ajuster leur rigidité effective "à la demande" en variant les conditions environnementales.

Connectivité dynamique programmable sur le terrain

Une approche plus active applique des stimuli externes pour diriger la redistribution des matériaux métalliques liquides. Par exemple, les composites contenant des voies électriques peuvent guérir des coupures ou des lacunes lorsqu'ils sont traversés par un courant. De même, les dommages structurels peuvent déclencher la repousse des veines de métal liquide par le biais de champs électromagnétiques localisés. Cela permet à la fois d'auto-réparer les réseaux connectifs existants et même de reprogrammer des configurations et des topologies entièrement nouvelles.

Conclusion

En conclusion, les alliages de matériaux métalliques liquides à base de gallium présentent des propriétés extraordinaires qui ouvrent de nouvelles possibilités pour les matériaux avancés. Leur capacité à subir des changements de phase réversibles solide-liquide juste au-dessus de la température ambiante leur confère un comportement multifonctionnel, contrairement aux métaux rigides conventionnels. La fluidité des métaux liquides permet le remodelage structurel et l'autoréparation par la redistribution du liquide ou la solidification. Parallèlement, leur conductivité électrique permet des applications dans l'électronique flexible, la robotique souple et les dispositifs électromagnétiques reconfigurables. Les recherches en cours continuent d'ouvrir de nouvelles voies pour fabriquer, fonctionnaliser et diriger le comportement de ces matériaux remarquables. En poursuivant leur développement, les métaux liquides promettent de révolutionner des domaines tels que les implants biomédicaux, les machines personnalisables et les technologies déployables.

FAQ

Q : Quelle est la particularité des alliages de gallium qui les rend liquides à température ambiante ?

R : Le gallium pur fond juste au-dessus de la température ambiante. En l'alliant à d'autres métaux comme l'indium et l'étain, on abaisse encore son point de fusion, qui peut parfois être inférieur à 0 °C. Leurs compositions spécifiques permettent à ces mélanges de gallium de rester liquides dans des conditions intérieures/extérieures normales.

Q : Comment façonnez-vous les matériaux métalliques liquides ?

R : Comme les matériaux traditionnels, qui peuvent être façonnés par l'application de pression ou de chaleur ou par des méthodes de fusion, les matériaux métalliques liquides peuvent être formés par des techniques amorphes telles que celles utilisées dans l'impression 3D, le moulage par injection ou le revêtement par centrifugation/plongée. Leur forme peut également être contrôlée après le frittage en exploitant des facteurs tels que l'application de champs magnétiques, de courants ou de changements de température qui font subir au matériau des cycles de solidification - liquéfaction - solidification.

Q : Voici quelques applications possibles des technologies des métaux liquides :

R : Parmi les domaines activement étudiés, citons l'électronique extensible et portable, les circuits et l'électronique guérissables, la robotique molle, les structures accordables et les interfaces de morphing. La caractéristique de flexibilité qui permet de se comporter comme un fluide mais aussi de conduire l'électricité ouvre de nouvelles perspectives dans des domaines tels que les vêtements, les implants biomédicaux et les structures déployables.