Alles wat u moet weten over vloeibaarmetalen materialen

Gallium kan het in een vloeibaar metaalmateriaal houden met behoud van de mechanische flexibiliteit en elektrische stijfheid van een vast medium bij de omgevingstemperatuur. Dit artikel beschrijft de fysisch-chemische eigenschappen, synthesemethoden en potentiële toepassingen van deze buitengewone zachte metalen, zoals flexibele elektronica, zachte robotica, zelfhelende structuren en nog veel meer. Ontdek wat wetenschappers doen met vloeibare metaalmaterialen waarvan de eigenschappen kunnen worden veranderd tussen de vaste en vloeibare toestand.

Vloeibare metaalmaterialen: Vormveranderende productie

In tegenstelling tot conventionele vloeibare metaalmaterialen bereiken bepaalde legeringen van gallium een vloeibare toestand bij of nabij kamertemperatuur vanwege hun zeer lage smeltpunten. Dit maakt dynamische overgangen tussen vaste en vloeibare fases mogelijk met kleine aanpassingen in temperatuur. In combinatie met elektrische geleidbaarheid maken deze omkeerbare overgangen toepassingen mogelijk die variëren van zelfherstellende circuits tot herconfigureerbare robotica. Hier presenteren we enkele specifieke kenmerken, eigenschappen en mogelijke toepassingen van de op gallium gebaseerde vloeibare legeringen, en enkele nieuwe benaderingen voor het creëren en vormgeven van structuren met deze veelzijdige zachte materialen.

Galliumlegeringen en de toekomst van gestructureerde vloeibare metalen bij kamertemperatuur

Gallium is een zacht, zilverachtig metaal dat bij kamertemperatuur in vaste toestand is. Wanneer gallium echter geassocieerd wordt met andere metalen zoals indium en tin, resulteert dit in legeringen of mengsels die bij kamertemperatuur in vloeibare toestand blijven. Deze speciale vloeibare metaalmaterialen hebben enkele vrij unieke eigenschappen, dus laten we ze eens in meer detail bekijken.

Drie galliumlegeringen zijn Galinstan, EGaIn en Fields metaal. Galinstan is een legering die bestaat uit gallium, indium en tin. EGaIn is een metaallegering met een vloeibaar en vloeibaar karakter gemaakt van indium en gallium. en tin. EGaIn is een mengsel van gallium en indium. Veld fabricage van metalen platen bevat bismut, indium en tin. Al deze legeringen smelten onder 30 graden Celsius, wat betekent dat ze gemakkelijk kunnen veranderen van vast naar vloeibaar door een beetje te verwarmen of af te koelen.

Een verbazingwekkende eigenschap van vloeibare metalen is dat ze stromen als water, maar net als normale metalen goed elektriciteit geleiden. Dit maakt ze nuttig voor toepassingen die flexibiliteit en elektrische geleiding nodig hebben. Ze kunnen gemakkelijk vreemde vormen vullen en zich aanpassen aan oppervlakken die ze aanraken.

Omdat vloeibare metaalmaterialen mengsels van verschillende elementen zijn, liggen hun smeltpunten lager dan die van de zuivere metalen alleen. Galinstan smelt rond -19 graden Celsius, EGaIn rond 15 graden, en Fields metaal rond 62 graden. Dicht bij kamertemperatuur blijven ze vloeibaar, maar ze kunnen kortstondig worden gestold door een kleine hoeveelheid af te koelen.

De mogelijkheid om fases omkeerbaar te veranderen van vast naar vloeibaar opent nieuwe mogelijkheden. Apparaten gemaakt van galliumlegeringen kunnen zichzelf herstellen als hun structuur wordt verstoord, omdat het metaal weer kan samenvloeien. Door hun zachtheid zijn vloeibare metalen ook veiliger dan starre materialen als aangedreven circuits met mensen moeten communiceren.

In het algemeen bieden vloeibare metalen bij kamertemperatuur een combinatie van eigenschappen die niet te vinden zijn in traditionele fabricage van massief metaal of andere materialen. Hun elektrische geleidbaarheid maakt integratie in elektronische en energietoepassingen mogelijk, terwijl hun vloeibaarheid flexibiliteit biedt. Veel onderzoekers onderzoeken toepassingen van galliumlegeringen in sensoren, biomedische apparaten, zelfassemblerende structuren en nog veel meer. Alleen de tijd zal leren hoe deze opmerkelijke multifunctionele materialen de technologie kunnen veranderen.

Toepassingen van vloeibare metalen met een laag smeltpunt

Omdat vloeibare metalen kunnen fungeren als draden die buigen en vouwen zonder te breken, zijn ze erg nuttig voor flexibele elektronica. Onderzoekers hebben transistors en geïntegreerde circuits van vloeibaarmetalen materialen gemaakt die hun functionaliteit behouden, zelfs als ze uitgerekt of gedraaid worden. Beeldschermen gemaakt van galliumlegeringen kunnen hun pixelpatronen opnieuw configureren als het scherm wordt samengedrukt of gevouwen.

Een andere toepassing maakt gebruik van het vermogen van vloeibare metalen om zichzelf te genezen. Circuits die gemaakt zijn van minuscule druppeltjes galliumlegering kunnen breuken in geleidende paden automatisch repareren. Als een verbinding breekt als gevolg van slijtage of schade, kan het vloeibare metaal opnieuw integreren en de verbinding herstellen. Dit maakt zelfherstellende elektronische apparaten met breukvaste interconnecties mogelijk.

Zachte robotica is een ander gebied dat profiteert van rendabel metaal materiaaltechnologieën. Galliumlegeringen die in elastomeren worden geïnjecteerd, kunnen robots bouwen met aanpasbare vormen wanneer ze aan magnetische of elektrische velden worden blootgesteld. Complexe modulaire structuren kunnen ook zelf worden samengesteld uit vloeibaar metalen onderdelen die worden aangestuurd door externe controles.

Sommige innovatieve projecten maken zelfs gebruik van drijfvermogen van vloeibaar metaal. Microbelletjes die in galliumlegeringen worden geïnjecteerd, maken deze minder dicht dan water. Hierdoor kunnen drijvende robots, herconfigureerbare vlotten en exoskeletten worden ontworpen die het gewicht over het lichaam verdelen. Lichtgewicht hulpmiddelen of watervoertuigen zouden de menselijke mogelijkheden kunnen uitbreiden.

Van flexibele gadgets tot zelfhelende circuits en transformeerbare bots, de vooruitgang in de synthese en manipulatie van galliumlegeringen zorgt voor nieuwe toepassingen. Het vermogen van vloeibaarmetalen om geleidbaarheid, vloeibaarheid en externe vormgeving soepel te integreren, opent deuren op gebieden zoals gezondheidszorg, infrastructuur en nog veel meer. Verdere ontwikkeling zal zeker nog veel meer innovatieve toepassingen opleveren.

Herconfigureerbare structuren door faseovergangen in vloeibaar metaal

2D vervormen van vloeibare metaalfilms

Onderzoekers hebben technieken ontwikkeld om vloeibare metalen dynamisch te vervormen in door de gebruiker gedefinieerde 2D-vormen met behulp van een elektrisch geprogrammeerd oppervlaktespanningseffect. Door spanningsverschillen aan te brengen over technieken voor metaalproductie films die in elastomeersubstraten worden geïnjecteerd, kan het landschap van de oppervlakte-energie selectief worden verlaagd in aangewezen patroongebieden. Dit maakt herpositionering op commando en dynamische programmering van de geometrie en positie van het vloeibare metaal bij kamertemperatuur mogelijk.

Magnetisch aangedreven vloeibare metalen metamaterialen

Een andere benadering maakt gebruik van magnetisch aangestuurde metamaterialen van vloeibaar metaal. Door minuscule druppeltjes of microkanalen van galliumlegering in elastomere composietstructuren op te nemen, kunnen toegepaste magnetische velden de algehele vorm vervormen en herconfigureren. Door het veld veroorzaakte spanningen vervormen de vloeibare sjablonen in het substraat, waardoor zowel de externe geometrie als de interne connectiviteit verandert. Eigenschappen zoals dichtheid, poriënstructuur en insluitingspatroon kunnen allemaal worden aangepast door het vaste-vloeibare fasegedrag van het vloeibare metaal magnetisch te programmeren.

Herconfigureerbare 3D-geprint vloeibaarmetalen traliematerialen combineren deze technieken. Hybride fabricagemethoden resulteren in met gallium gevulde trussstructuren waarvan de framegeometrie en de celconfiguratie dynamisch kunnen worden geregeld. Omkeerbaar stollen maakt inzetbare en zelfherstellende functionaliteiten mogelijk, terwijl geleiding diverse toepassingen mogelijk maakt, van biomedische sensoren en zachte robots tot inzetbare elektronica en herconfigureerbare elektromagnetische lenzen of schilden.

Vloeibare metalen bij kamertemperatuur voor flexibele elektronica

Vloeibare metaallegeringen en schakelingen

Een belangrijke ontwikkeling maakte gebruik van de eutectische legering van gallium en indium met een laag smeltpunt, bekend als EGaIn. Onderzoekers van Carnegie Mellon synthetiseerden dit metaal in microscopisch kleine druppeltjes die als herprogrammeerbare pixels konden fungeren. Wanneer er kleine spanningen werden toegepast, konden de vloeibare connectoren circuitpaden verbinden of scheiden, net als bij transistors in vaste toestand. Dit introduceerde een nieuw paradigma voor zelfherstellende circuits die de connectiviteit kunnen herstellen door herverdeling van vloeistoffen.

Transistors en displays van vloeibaar metaal

Theoretisch gezien maken de vervormbaarheid en geleidbaarheid van vloeibaarmetalen materialen deze zeer geschikt voor de ontwikkeling van flexibele elektronica van de volgende generatie. Enkele opmerkelijke toepassingen die momenteel bestudeerd worden, zijn herschrijfbare en opvouwbare beeldschermen met pixels van vloeibaar metaal. Vellen van deze dynamische displaylegeringen zouden kunnen worden gevouwen, gedraaid en vervormd zonder dat het circuit kapot gaat. De technologie kan ook gebruikt worden in elektronische huiden die zich aanpassen aan niet-stijve oppervlakken zoals het menselijk lichaam.

Conformal Coatings voor rekbare schakelingen

Om circuits met vloeibaarmetaalmaterialen mogelijk te maken, is zorgvuldige afzetting van dunne, gelijkmatige coatings op elastische substraten van cruciaal belang. Technieken zoals spincoating en vacuümgieten hebben aangetoond dat het mogelijk is om galliumlegeringen in lagen van slechts enkele micrometers dik aan te brengen. In combinatie met traditionele rekbare circuitontwerpen maken deze flexibele vloeibare coatings het mogelijk om draagbare elektronica en bio-geïntegreerde apparaten te maken die zeer functioneel blijven, zelfs onder fysieke spanning of vervorming. Potentiële toepassingen variëren van medisch ingebouwde sensoren tot conforme slimme weefsels.

Zelfgenezing via faseverandering van vloeibaar metaal

Terugwinbare energieabsorptie in vloeibaarmetaalroosters

Onderzoekers hebben 3D metaal printen roosters op basis van elastomeer met een interne steiger van aders van vloeibaar metaal. Door deze materialen mechanisch te belasten, wordt de vloeibare component plastisch vervormd binnen het elastische polymeerraamwerk. Na het ontladen zorgt het stollen van de vloeistof en de daaropvolgende opwarming ervoor dat de oorspronkelijke roosterconfiguratie zichzelf herstelt door middel van een vormgeheugeneffect. Hierdoor kunnen de structuren herhaaldelijk grote schokken of vervormingen opvangen en herstellen.

Afstembare stijfheid door temperatuurregeling

Een andere zelfherstellende strategie bestaat uit het moduleren van de omgevingstemperatuur om de overgang tussen vloeibaar metaal en vast-vloeibaar materiaal te sturen. Composieten die een galliumlegering bevatten zullen van nature stijver worden als het stolt door afkoeling en wordt weer zachter als het opnieuw wordt opgewarmd tot voorbij het smeltpunt. Voorbereidend werk heeft materialen aangetoond die hun effectieve stijfheid selectief "op verzoek" kunnen aanpassen door de omgevingsomstandigheden te variëren.

Dynamische veldprogrammeerbare connectiviteit

Een actievere benadering past externe stimuli toe om de herverdeling van vloeibaar metaalmateriaal te sturen. Composieten die elektrische paden bevatten, kunnen bijvoorbeeld snijwonden of gaten genezen wanneer er stroom doorheen wordt geleid. Op dezelfde manier kan structurele schade de hergroei van aders van vloeibaar metaal teweegbrengen via gelokaliseerde elektromagnetische velden. Dit biedt een manier om bestaande verbindingsnetwerken zelf te herstellen en zelfs geheel nieuwe configuraties en topologieën te herprogrammeren.

Conclusie

Concluderend kunnen we stellen dat legeringen van vloeibare metaalmetalen op basis van gallium buitengewone eigenschappen vertonen die nieuwe mogelijkheden bieden voor geavanceerde materialen. Hun vermogen om reversibele vast-vloeistof faseveranderingen te ondergaan net boven kamertemperatuur geeft hen multifunctioneel gedrag in tegenstelling tot conventionele starre metalen. De vloeibaarheid van vloeibare metalen maakt structurele remodellering en zelfgenezing mogelijk door herverdeling of stolling van vloeistoffen. Ondertussen maakt hun elektrische geleidbaarheid toepassingen mogelijk in flexibele elektronica, zachte robotica en herconfigureerbare elektromagnetische apparaten. Lopend onderzoek blijft nieuwe manieren aan het licht brengen om deze opmerkelijke materialen te fabriceren, te functionaliseren en het gedrag ervan te sturen. Bij verdere ontwikkeling zijn vloeibare metalen veelbelovend om een revolutie teweeg te brengen op gebieden zoals biomedische implantaten, aanpasbare machines en inzetbare technologieën.

FAQs

V: Wat is er zo speciaal aan galliumlegeringen dat ze vloeibaar zijn bij kamertemperatuur?

A: Zuiver gallium smelt net boven kamertemperatuur. Legering met andere metalen zoals indium en tin verlaagt het smeltpunt verder, in sommige gevallen onder 0°C. Door hun specifieke samenstelling blijven deze galliummengsels vloeibaar onder normale binnen- en buitencondities.

V: Hoe geeft u vloeibaar metaal vorm?

A: Net als traditionele materialen, die gevormd kunnen worden door druk of warmte toe te passen of door middel van gesmolten methoden, kunnen vloeibaar-metalen materialen gevormd worden door middel van amorfe technieken zoals gebruikt bij 3D-printen, spuitgieten of spin/dip-coating. Hun vorm kan ook na het sinteren worden gecontroleerd door gebruik te maken van factoren zoals de toepassing van magnetische velden, stromen of temperatuurveranderingen waardoor het materiaal cycli van stollen - liquideren - stollen ondergaat.

V: Enkele mogelijke toepassingen van vloeibaarmetaaltechnologieën zijn:

A: Enkele van de gebieden die actief onderzocht worden op dit gebied zijn rekbare en draagbare elektronica, geneesbare circuits en elektronica, zachte robotica, afstembare structuren en morphing interfaces. De eigenschap van flexibiliteit die het mogelijk maakt om zich als een vloeistof te gedragen maar ook elektriciteit te geleiden, biedt nieuwe mogelijkheden op gebieden zoals wearables, biomedische implantaten en inzetbare structuren.