Semua yang Perlu Anda Ketahui Tentang Bahan Logam Cair

Galium dapat mempertahankannya dalam bahan logam cair sambil mempertahankan fleksibilitas mekanis dan kekakuan listrik dari media padat pada suhu sekitar. Artikel ini menjelaskan sifat fisikokimia, metode sintesis, dan aplikasi potensial dari logam lunak yang luar biasa ini, seperti elektronik fleksibel, robotika lunak, struktur yang dapat sembuh sendiri, dan banyak lagi. Temukan apa yang dilakukan para ilmuwan dengan bahan logam cair yang memiliki sifat yang dapat diubah antara keadaan padat dan cair.

Bahan Logam Cair: Manufaktur Perubahan Bentuk

Tidak seperti bahan logam cair konvensional, komposisi paduan galium tertentu mencapai kondisi cair pada atau mendekati suhu kamar karena titik lelehnya yang sangat rendah. Hal ini memungkinkan transisi dinamis antara fase padat dan cair dengan penyesuaian suhu yang kecil. Ketika digabungkan dengan konduktivitas listrik, transisi yang dapat dibalik ini memungkinkan aplikasi mulai dari sirkuit penyembuhan diri hingga robotika yang dapat dikonfigurasi ulang. Di sini, kami menyajikan beberapa fitur, sifat, dan potensi penggunaan spesifik dari paduan cair berbasis Gallium, dan beberapa pendekatan baru untuk membuat dan memola struktur menggunakan bahan lunak serbaguna ini.

Paduan Galium dan Masa Depan Logam Cair Bersuhu Ruang Terstruktur

Galium adalah logam lunak berwarna keperakan yang berada dalam keadaan padat pada suhu kamar. Namun demikian, ketika galium dikaitkan dengan logam lain seperti indium dan timah, hasilnya adalah paduan atau campuran yang tetap dalam keadaan cair pada suhu kamar. Bahan logam cair khusus ini memiliki beberapa karakteristik yang agak unik, jadi mari kita lihat secara lebih rinci.

Tiga paduan galium adalah Galinstan, EGaIn, dan logam Field. Galinstan adalah paduan yang terdiri dari galium, indium, dan timah. EGaIn adalah paduan logam dengan sifat cair dan fluida yang terbuat dari indium dan galium. dan timah. EGaIn adalah campuran galium dan indium. Bidang fabrikasi lembaran logam mengandung bismut, indium, dan timah. Semua paduan ini meleleh di bawah 30 derajat Celcius, yang berarti dapat dengan mudah berubah antara padat dan cair hanya dengan memanaskan atau mendinginkannya sedikit.

Satu hal yang menakjubkan tentang logam cair adalah bahwa logam ini mengalir seperti air, tetapi menghantarkan listrik dengan baik seperti logam biasa. Hal ini membuatnya berguna untuk aplikasi yang membutuhkan fleksibilitas dan konduktivitas listrik. Logam cair dapat dengan mudah mengisi bentuk-bentuk yang aneh dan akan menyesuaikan diri dengan permukaan yang disentuhnya.

Karena bahan logam cair adalah campuran dari berbagai elemen, titik lelehnya lebih rendah daripada logam murni mana pun. Galinstan meleleh sekitar -19 derajat Celcius, EGaIn sekitar 15 derajat, dan logam Field sekitar 62 derajat. Dekat dengan suhu kamar, mereka tetap cair tetapi dapat dipadatkan secara singkat dengan mendinginkannya dalam jumlah kecil.

Kemampuan untuk mengubah fase secara reversibel dari padat ke cair membuka berbagai kemungkinan baru. Perangkat yang terbuat dari paduan galium dapat menyembuhkan diri sendiri jika strukturnya terganggu, karena logam dapat mengalir kembali. Kelembutannya juga membuat logam cair lebih aman daripada bahan yang kaku jika sirkuit bertenaga perlu berinteraksi dengan manusia.

Secara keseluruhan, logam cair suhu ruangan menawarkan kombinasi sifat yang tidak ditemukan dalam logam tradisional fabrikasi logam padat atau bahan lainnya. Konduktivitas listriknya memungkinkan integrasi ke dalam aplikasi elektronik dan energi, sementara fluiditasnya memberikan fleksibilitas. Banyak peneliti yang mengeksplorasi penggunaan paduan galium dalam sensor, perangkat biomedis, struktur yang dapat dirakit sendiri, dan banyak lagi. Hanya waktu yang akan menunjukkan bagaimana material multifungsi yang luar biasa ini dapat mengubah teknologi.

Aplikasi Logam Cair dengan Titik Leleh Rendah

Karena logam cair dapat bertindak sebagai kabel yang dapat ditekuk dan dilipat tanpa putus, logam cair sangat berguna untuk elektronik yang fleksibel. Para peneliti telah menciptakan transistor bahan logam cair dan sirkuit terpadu yang mempertahankan fungsionalitasnya meskipun diregangkan atau dipelintir. Layar yang terbuat dari paduan galium dapat mengkonfigurasi ulang pola pikselnya saat layar diremas atau dilipat.

Aplikasi lain menggunakan kemampuan logam cair untuk menyembuhkan dirinya sendiri. Sirkuit yang terbuat dari tetesan kecil paduan galium dapat memperbaiki kerusakan pada jalur konduktif secara otomatis. Jika sebuah sambungan putus karena keausan atau kerusakan, logam cair dapat menyatu kembali dan memulihkan sambungan. Hal ini memungkinkan perangkat elektronik yang dapat memperbaiki sendiri dengan interkoneksi yang tahan putus.

Robotika lunak adalah area lain yang diuntungkan dari logam hemat biaya teknologi material. Paduan galium yang disuntikkan ke dalam elastomer dapat membuat robot dengan bentuk yang dapat disesuaikan ketika terkena medan magnet atau listrik. Struktur modular yang kompleks juga dapat merakit sendiri dari komponen logam cair yang dipandu oleh kontrol eksternal.

Beberapa proyek inovatif bahkan menggunakan daya apung logam cair. Gelembung mikro yang disuntikkan ke dalam paduan galium membuatnya lebih tidak padat daripada air. Hal ini memungkinkan desain robot terapung, rakit yang dapat dikonfigurasi ulang, dan kerangka luar yang mendistribusikan berat ke seluruh tubuh. Alat bantu yang ringan atau kendaraan air dapat membantu memperluas kemampuan manusia.

Dari gadget yang fleksibel hingga sirkuit yang dapat menyembuhkan diri sendiri dan bot yang dapat diubah, kemajuan dalam sintesis dan manipulasi paduan galium mendorong aplikasi baru. Kemampuan bahan logam cair untuk mengintegrasikan konduktivitas, fluiditas, dan pembentukan eksternal dengan lancar membuka pintu di berbagai bidang seperti perawatan kesehatan, infrastruktur, dan banyak lagi. Pengembangan lebih lanjut pasti akan menghasilkan lebih banyak lagi penggunaan yang inovatif.

Struktur yang Dapat Dikonfigurasi Ulang melalui Transisi Fase Logam Cair

Morphing 2D Film Logam Cair

Para peneliti telah mengembangkan teknik untuk mengubah bahan logam cair secara dinamis menjadi bentuk 2D yang ditentukan pengguna dengan menggunakan efek tegangan permukaan yang diprogram secara elektrik. Dengan menerapkan perbedaan tegangan di seluruh teknik fabrikasi logam film yang diinjeksikan ke dalam substrat elastomer, lanskap energi permukaan dapat diturunkan secara selektif di area berpola yang ditentukan. Hal ini memungkinkan pemosisian ulang sesuai perintah dan pemrograman dinamis dari geometri dan posisi logam cair pada suhu kamar.

Metamaterial Logam Cair yang Digerakkan Secara Magnetis

Pendekatan lain menggunakan metamaterial bahan logam cair yang digerakkan secara magnetis. Dengan memasukkan tetesan kecil atau saluran mikro paduan gallium ke dalam struktur komposit elastomer, medan magnet yang diterapkan dapat mengubah bentuk dan mengkonfigurasi ulang bentuk keseluruhannya. Tekanan yang diinduksi medan merusak templat cairan di dalam substrat, mengubah geometri eksternal serta konektivitas internal. Properti seperti kepadatan, struktur pori, dan pola inklusi semuanya dapat disetel melalui pemrograman magnetik dari perilaku fase padat-cair logam cair.

Dapat dikonfigurasi ulang Dicetak 3D bahan kisi logam cair menggabungkan teknik-teknik ini. Pendekatan manufaktur hibrida menghasilkan struktur rangka berisi galium yang geometri rangka dan konfigurasi sel satuannya dapat dikontrol secara dinamis. Pemadatan yang dapat dibalik membuka fungsi yang dapat digunakan dan memulihkan diri, sementara konduktivitas memungkinkan beragam aplikasi mulai dari sensor biomedis dan robot lunak hingga elektronik yang dapat digunakan dan lensa atau perisai elektromagnetik yang dapat dikonfigurasi ulang.

Logam Cair Suhu Ruang untuk Elektronik Fleksibel

Paduan dan Sirkuit Logam Cair

Pengembangan utama menggunakan paduan eutektik galium dan indium dengan titik leleh rendah, yang dikenal sebagai EGaIn. Para peneliti di Carnegie Mellon mensintesis logam ini menjadi tetesan mikroskopis yang dapat bertindak sebagai piksel yang dapat diprogram ulang. Ketika tegangan kecil diterapkan, konektor cair dapat bergabung atau memisahkan jalur sirkuit yang mirip dengan transistor solid-state. Hal ini memperkenalkan paradigma baru untuk sirkuit yang dapat memperbaiki diri sendiri yang dapat memulihkan konektivitas melalui redistribusi cairan.

Transistor dan Layar Logam Cair

Secara teoretis, kelenturan dan konduktivitas bahan logam cair membuatnya cocok untuk mengembangkan elektronik fleksibel generasi berikutnya. Beberapa aplikasi penting yang sedang diteliti termasuk layar yang dapat ditulis ulang dan dilipat menggunakan piksel logam cair. Lembaran-lembaran paduan layar dinamis ini dapat dilipat, dipelintir, dan dibentuk ulang tanpa merusak sirkuit. Teknologi ini dapat digunakan pada kulit elektronik yang sesuai dengan permukaan yang tidak kaku seperti tubuh manusia.

Pelapis Konformal untuk Sirkuit yang Dapat Direnggangkan

Untuk memungkinkan sirkuit bahan logam cair, deposisi lapisan tipis yang merata pada substrat elastis sangat penting. Teknik seperti spin-coating dan pengecoran vakum telah terbukti dapat melapisi paduan galium ke dalam film yang tebalnya hanya beberapa mikrometer. Dikombinasikan dengan desain sirkuit tradisional yang dapat direnggangkan, pelapis cair yang sesuai ini memungkinkan pembuatan elektronik yang dapat dikenakan dan perangkat bio-terintegrasi yang tetap sangat fungsional bahkan di bawah tekanan fisik atau distorsi. Aplikasi potensial berkisar dari sensor yang tertanam secara medis hingga kain pintar yang sesuai.

Penyembuhan Diri melalui Perubahan Fasa Logam Cair

Penyerapan Energi yang Dapat Dipulihkan dalam Kisi Logam Cair

Para peneliti memiliki Pencetakan logam 3D kisi-kisi berbasis elastomer dengan perancah internal urat bahan logam cair. Menempatkan bahan-bahan ini pada beban mekanis menyebabkan komponen cair berubah bentuk secara plastis di dalam kerangka polimer elastis. Setelah dibongkar, pemadatan cairan dan pemanasan ulang berikutnya memungkinkan konfigurasi kisi asli untuk memulihkan diri melalui efek memori bentuk. Hal ini memungkinkan struktur untuk berulang kali menyerap dan pulih dari benturan atau deformasi yang besar.

Kekakuan yang Dapat Disetel melalui Kontrol Suhu

Strategi penyembuhan diri lainnya melibatkan modulasi suhu lingkungan untuk mengarahkan transisi padat-cair bahan logam cair. Komposit yang mengandung proporsi paduan galium secara alami akan menegang karena mengeras dengan pendinginan, dan melunak lagi ketika dipanaskan kembali melewati titik lelehnya. Penelitian awal telah menunjukkan material yang secara selektif dapat menyesuaikan kekakuan efektifnya "sesuai permintaan" dengan kondisi lingkungan yang bervariasi.

Konektivitas Dinamis yang Dapat Diprogram Bidang

Pendekatan yang lebih aktif menerapkan rangsangan eksternal untuk mengarahkan redistribusi bahan logam cair. Sebagai contoh, komposit yang mengandung jalur listrik dapat menyembuhkan luka atau celah ketika arus dilewatkan. Demikian pula, kerusakan struktural dapat memicu pertumbuhan kembali urat logam cair melalui medan elektromagnetik lokal. Hal ini memberikan cara untuk memperbaiki sendiri jaringan penghubung yang ada dan bahkan memprogram ulang konfigurasi dan topologi yang sama sekali baru.

Kesimpulan

Kesimpulannya, paduan bahan logam cair berbasis galium menunjukkan sifat luar biasa yang membuka kemungkinan baru untuk material canggih. Kemampuannya untuk mengalami perubahan fase padat-cair yang dapat dibalik tepat di atas suhu kamar memberikannya perilaku multifungsi yang tidak seperti logam kaku konvensional. Fluiditas logam cair memungkinkan renovasi struktural dan penyembuhan diri melalui redistribusi atau pemadatan cairan. Sementara itu, konduktivitas listriknya memungkinkan aplikasi dalam elektronik fleksibel, robotika lunak, dan perangkat elektromagnetik yang dapat dikonfigurasi ulang. Penelitian yang sedang berlangsung terus membuka cara-cara baru untuk membuat, memfungsikan, dan mengarahkan perilaku material yang luar biasa ini. Dengan pengembangan lebih lanjut, logam cair menunjukkan harapan besar untuk merevolusi bidang-bidang seperti implan biomedis, mesin yang dapat disesuaikan, dan teknologi yang dapat diterapkan.

Pertanyaan Umum

T: Apa yang istimewa dari paduan galium yang membuatnya menjadi cair pada suhu kamar?

J: Galium murni meleleh tepat di atas suhu kamar. Memadukannya dengan logam lain seperti indium dan timah akan menurunkan titik leleh lebih jauh, dalam beberapa kasus di bawah 0°C. Komposisi spesifiknya memungkinkan campuran galium ini tetap cair dalam kondisi normal di dalam/luar ruangan.

T: Bagaimana Anda membentuk bahan logam cair?

J: Seperti bahan tradisional, yang dapat dibentuk dengan menerapkan tekanan atau panas atau melalui metode cair, bahan logam cair dapat dibentuk melalui teknik amorf seperti yang digunakan dalam pencetakan 3D, cetakan injeksi atau spin/dip coating. Bentuknya juga dapat dikontrol pasca sintering dengan memanfaatkan faktor-faktor seperti penerapan medan magnet, arus atau perubahan suhu yang menyebabkan material mengalami siklus pemadatan - pencairan - pemadatan.

T: Beberapa kemungkinan penerapan teknologi logam cair meliputi:

J: Beberapa bidang yang secara aktif diselidiki di lapangan mencakup elektronik yang dapat direnggangkan dan dapat dikenakan, sirkuit dan elektronik yang dapat disembuhkan, robotika lunak, struktur yang dapat disetel, dan antarmuka yang berubah bentuk. Karakteristik fleksibilitas yang memungkinkan untuk berperilaku seperti fluida tetapi juga menghantarkan listrik mengungkapkan peluang baru di bidang-bidang seperti perangkat yang dapat dikenakan, implan biomedis, dan struktur yang dapat disebarkan.