Tutto quello che deve sapere sui materiali in metallo liquido

Il gallio può essere mantenuto in un materiale metallico liquido, pur conservando la flessibilità meccanica e la rigidità elettrica di un mezzo solido a temperatura ambiente. Questo articolo descrive le proprietà fisico-chimiche, i metodi di sintesi e le potenziali applicazioni di questi straordinari metalli morbidi, come l'elettronica flessibile, la robotica morbida, le strutture autorigeneranti e molto altro ancora. Scopra cosa stanno facendo gli scienziati con i materiali metallici liquidi che hanno proprietà che possono essere modificate tra lo stato solido e quello liquido.

Materiali in metallo liquido: Fabbricazione che cambia forma

A differenza dei materiali metallici liquidi convenzionali, alcune composizioni di leghe di gallio raggiungono uno stato fluidico a temperatura ambiente o quasi, grazie ai loro punti di fusione molto bassi. Ciò consente transizioni dinamiche tra fasi solide e liquide con piccoli aggiustamenti di temperatura. Se abbinate alla conduttività elettrica, queste transizioni reversibili consentono applicazioni che vanno dai circuiti autorigeneranti alla robotica riconfigurabile. Qui presentiamo alcune caratteristiche specifiche, le proprietà e i potenziali impieghi delle leghe liquide a base di gallio e alcuni dei nuovi approcci per creare e modellare strutture utilizzando questi versatili materiali morbidi.

Leghe di gallio e il futuro dei metalli liquidi strutturati a temperatura ambiente

Il gallio è un metallo morbido e argenteo che si trova allo stato solido a temperatura ambiente. Tuttavia, quando il gallio viene associato ad altri metalli come l'indio e lo stagno, si ottengono leghe o miscele che rimangono allo stato liquido a temperatura ambiente. Questi speciali materiali metallici liquidi possiedono alcune caratteristiche piuttosto uniche, quindi analizziamoli più in dettaglio.

Tre leghe di gallio sono Galinstan, EGaIn e il metallo di Field. Il Galinstan è una lega composta da gallio, indio e stagno. EGaIn è una lega metallica di natura liquida e fluida composta da indio e gallio. e stagno. EGaIn è una miscela di gallio e indio. Il campo fabbricazione di lamiere metalliche contiene bismuto, indio e stagno. Tutte queste leghe fondono al di sotto dei 30 gradi Celsius, il che significa che possono facilmente passare da solido a liquido semplicemente riscaldandosi o raffreddandosi un po'.

Una cosa sorprendente dei metalli liquidi è che scorrono come l'acqua, ma conducono bene l'elettricità come i metalli normali. Questo li rende utili per le applicazioni che richiedono flessibilità e conduttività elettrica. Possono facilmente riempire forme strane e si conformano alle superfici che toccano.

Poiché i materiali metallici liquidi sono miscele di diversi elementi, i loro punti di fusione sono inferiori a quelli dei soli metalli puri. Il Galinstan fonde a circa -19 gradi Celsius, l'EGaIn a circa 15 gradi e il metallo di Field a circa 62 gradi. Vicino alla temperatura ambiente, rimangono liquidi ma possono essere brevemente solidificati raffreddando una piccola quantità.

La capacità di cambiare reversibilmente le fasi da solido a liquido apre nuove possibilità. I dispositivi realizzati con leghe di gallio possono auto-ripararsi se la loro struttura viene danneggiata, in quanto il metallo può rifluire. La loro morbidezza rende anche i metalli liquidi più sicuri dei materiali rigidi, se i circuiti alimentati devono interagire con le persone.

Nel complesso, i metalli liquidi a temperatura ambiente offrono una combinazione di proprietà che non si trovano nei metalli tradizionali. fabbricazione di metalli solidi o altri materiali. La loro conducibilità elettrica consente l'integrazione nelle applicazioni elettroniche ed energetiche, mentre la fluidità offre flessibilità. Molti ricercatori stanno esplorando gli usi delle leghe di gallio nei sensori, nei dispositivi biomedici, nelle strutture auto-assemblanti e altro ancora. Solo il tempo ci dirà come questi straordinari materiali multifunzionali potranno trasformare la tecnologia.

Applicazioni dei metalli liquidi a bassa fusione

Poiché i metalli liquidi possono agire come fili che si piegano e si piegano senza rompersi, sono molto utili per l'elettronica flessibile. I ricercatori hanno creato transistor e circuiti integrati in materiali di metallo liquido che mantengono la funzionalità anche quando vengono allungati o attorcigliati. I display realizzati con leghe di gallio possono riconfigurare i loro modelli di pixel quando lo schermo viene schiacciato o piegato.

Un'altra applicazione sfrutta la capacità dei metalli liquidi di auto-guarirsi. I circuiti realizzati con minuscole gocce di lega di gallio possono riparare automaticamente le interruzioni nei percorsi conduttivi. Se un collegamento si rompe a causa dell'usura o di un danno, il metallo fluido può reintegrarsi e ripristinare il collegamento. Ciò consente di realizzare dispositivi elettronici auto-riparabili con interconnessioni a prova di rottura.

La robotica soft è un'altra area che beneficia di metallo conveniente tecnologie dei materiali. Le leghe di gallio iniettate negli elastomeri possono costruire robot con forme regolabili quando vengono esposti a campi magnetici o elettrici. Strutture modulari complesse possono anche auto-assemblarsi da componenti in metallo liquido guidati da controlli esterni.

Alcuni progetti innovativi utilizzano persino la galleggiabilità dei metalli liquidi. Le microbolle iniettate nelle leghe di gallio le rendono meno dense dell'acqua. Questo permette di progettare robot galleggianti, zattere riconfigurabili ed esoscheletri che distribuiscono il peso sul corpo. Dispositivi di assistenza leggeri o veicoli acquatici potrebbero contribuire ad ampliare le capacità umane.

Dai gadget flessibili ai circuiti autorigeneranti e ai bot trasformabili, i progressi nella sintesi e nella manipolazione delle leghe di gallio stanno portando a nuove applicazioni. La capacità dei materiali in metallo liquido di integrare senza problemi conduttività, fluidità e modellazione esterna apre le porte a campi come la sanità, le infrastrutture e altro ancora. Un ulteriore sviluppo porterà sicuramente a molti altri usi innovativi.

Strutture riconfigurabili attraverso le transizioni di fase del metallo liquido

Morfismo 2D dei film di metallo liquido

I ricercatori hanno sviluppato delle tecniche per trasformare dinamicamente i materiali metallici liquidi in forme 2D definite dall'utente, utilizzando un effetto di tensione superficiale programmato elettricamente. Applicando differenze di tensione attraverso tecniche di fabbricazione del metallo iniettati in substrati di elastomero, il paesaggio energetico superficiale può essere abbassato selettivamente in aree designate. Ciò consente il riposizionamento su comando e la programmazione dinamica della geometria e della posizione del metallo liquido a temperatura ambiente.

Metamateriali metallici liquidi ad azione magnetica

Un altro approccio utilizza metamateriali di materiali metallici liquidi azionati magneticamente. Incorporando minuscole goccioline o microcanali di lega di gallio in strutture composite elastomeriche, i campi magnetici applicati possono deformare e riconfigurare la loro forma complessiva. Le sollecitazioni indotte dal campo deformano le sagome liquide all'interno del substrato, alterando sia la geometria esterna che la connettività interna. Proprietà come la densità, la struttura dei pori e il modello di inclusione possono essere sintonizzate attraverso la programmazione magnetica del comportamento della fase solido-liquida del metallo liquido.

Riconfigurabile Stampato in 3D I materiali reticolari in metallo liquido combinano queste tecniche. Gli approcci di produzione ibridi portano a strutture a traliccio riempite di gallio, la cui geometria del telaio e la configurazione delle celle unitarie possono essere controllate dinamicamente. La solidificazione reversibile apre funzionalità dispiegabili e auto-recuperabili, mentre la conduttività consente diverse applicazioni, dai sensori biomedici e dai robot morbidi all'elettronica dispiegabile e alle lenti o schermi elettromagnetici riconfigurabili.

Metalli liquidi a temperatura ambiente per l'elettronica flessibile

Leghe di metalli liquidi e circuiti

Uno sviluppo chiave ha utilizzato la lega eutettica a bassa fusione di gallio e indio, nota come EGaIn. I ricercatori della Carnegie Mellon hanno sintetizzato questo metallo in goccioline microscopiche che potevano agire come pixel riprogrammabili. Quando venivano applicate piccole tensioni, i connettori liquidi potevano unire o separare i percorsi dei circuiti in modo simile ai transistor allo stato solido. Questo ha introdotto un nuovo paradigma per i circuiti auto-riparativi che possono ripristinare la connettività attraverso la ridistribuzione del fluido.

Transistor e display in metallo liquido

In teoria, la malleabilità e la conduttività dei materiali in metallo liquido li rendono adatti allo sviluppo dell'elettronica flessibile di prossima generazione. Alcune applicazioni degne di nota in fase di studio includono display riscrivibili e pieghevoli che utilizzano pixel di metallo liquido. I fogli di queste leghe di display dinamici potrebbero piegarsi, torcersi e rimodellarsi senza interrompere i circuiti. La tecnologia potrebbe trovare impiego nelle pelli elettroniche che si conformano a superfici non rigide come il corpo umano.

Rivestimenti conformi per circuiti estensibili

Per consentire circuiti di materiali metallici liquidi, è fondamentale un'attenta deposizione di rivestimenti sottili e uniformi su substrati elastici. Tecniche come lo spin-coating e la colata sotto vuoto hanno dimostrato di poter stratificare in modo applicabile le leghe di gallio in pellicole di pochi micrometri di spessore. In combinazione con i tradizionali progetti di circuiti estensibili, questi rivestimenti liquidi compiacenti consentono di creare elettronica indossabile e dispositivi bio-integrati che rimangono altamente funzionali anche sotto sforzo fisico o distorsione. Le potenziali applicazioni spaziano dai sensori incorporati in ambito medico ai tessuti intelligenti conformali.

Auto-guarigione attraverso il cambiamento di fase del metallo liquido

Assorbimento di energia recuperabile nei reticoli di metallo liquido

I ricercatori hanno Stampa 3D del metallo reticoli a base di elastomeri con un'impalcatura interna di vene di materiali metallici liquidi. Sottoponendo questi materiali a un carico meccanico, il componente liquido si deforma plasticamente all'interno della struttura polimerica elastica. Al momento dello scarico, la solidificazione del liquido e il successivo riscaldamento consentono alla configurazione reticolare originale di auto-ripristinarsi attraverso un effetto di memoria di forma. Ciò consente alle strutture di assorbire e recuperare ripetutamente impatti o deformazioni di grandi dimensioni.

Rigidità sintonizzabile attraverso il controllo della temperatura

Un'altra strategia di auto-riparazione prevede la modulazione della temperatura ambiente per dirigere le transizioni solido-liquido dei materiali metallici liquidi. I compositi che contengono una proporzione di lega di gallio si irrigidiscono in modo naturale quando si si solidifica con il raffreddamento, e si ammorbidiscono di nuovo quando vengono riscaldati oltre il punto di fusione. Il lavoro preliminare ha dimostrato che i materiali possono regolare selettivamente la loro rigidità effettiva 'su richiesta', variando le condizioni ambientali.

Connettività dinamica programmabile sul campo

Un approccio più attivo applica stimoli esterni per dirigere la ridistribuzione dei materiali metallici liquidi. Ad esempio, i compositi che contengono percorsi elettrici possono guarire i tagli o gli spazi vuoti quando viene fatta passare una corrente. Allo stesso modo, un danno strutturale può innescare la ricrescita delle vene di metallo liquido attraverso campi elettromagnetici localizzati. In questo modo è possibile sia autoriparare le reti connettive esistenti, sia riprogrammare configurazioni e topologie completamente nuove.

Conclusione

In conclusione, le leghe di materiali metallici liquidi a base di gallio presentano proprietà straordinarie che aprono nuove possibilità per i materiali avanzati. La loro capacità di subire cambiamenti reversibili di fase solido-liquido appena al di sopra della temperatura ambiente conferisce loro un comportamento multifunzionale, a differenza dei metalli rigidi convenzionali. La fluidità dei metalli liquidi consente il rimodellamento strutturale e l'auto-riparazione attraverso la ridistribuzione o la solidificazione dei liquidi. Nel frattempo, la loro conducibilità elettrica consente applicazioni nell'elettronica flessibile, nella robotica morbida e nei dispositivi elettromagnetici riconfigurabili. La ricerca in corso continua a svelare nuovi modi per fabbricare, funzionalizzare e dirigere il comportamento di questi materiali straordinari. Con un ulteriore sviluppo, i metalli liquidi promettono di rivoluzionare campi come gli impianti biomedici, i macchinari personalizzabili e le tecnologie implementabili.

Domande frequenti

D: Qual è la particolarità delle leghe di gallio che le rende liquide a temperatura ambiente?

R: Il gallio puro fonde appena sopra la temperatura ambiente. La lega con altri metalli come l'indio e lo stagno abbassa ulteriormente il punto di fusione, in alcuni casi al di sotto degli 0°C. Le loro composizioni specifiche consentono a queste miscele di gallio di rimanere liquide nelle normali condizioni interne/esterne.

D: Come si modellano i materiali metallici liquidi?

R: Come i materiali tradizionali, che possono essere modellati applicando pressione o calore o attraverso metodi fusi, i materiali metallici liquidi possono essere formati attraverso tecniche amorfe come quelle utilizzate nella stampa 3D, nello stampaggio a iniezione o nel rivestimento spin/dip. La loro forma può anche essere controllata dopo la sinterizzazione, sfruttando fattori come l'applicazione di campi magnetici, correnti o cambiamenti di temperatura che fanno sì che il materiale subisca dei cicli di solidificazione - liquefazione - solidificazione.

D: Alcune possibili applicazioni delle tecnologie dei metalli liquidi includono:

R: Alcune delle aree attivamente studiate nel campo riguardano l'elettronica estensibile e indossabile, i circuiti e l'elettronica guaribili, la robotica morbida, le strutture sintonizzabili e le interfacce morphing. La caratteristica della flessibilità, che permette di comportarsi come un fluido ma anche di condurre l'elettricità, rivela nuove opportunità in settori come gli indossabili, gli impianti biomedici e le strutture dispiegabili.