Все, что Вам нужно знать о жидких металлических материалах

Галлий может находиться в жидких металлических материалах, сохраняя при этом механическую гибкость и электрическую жесткость твердой среды при температуре окружающей среды. В этой статье описаны физико-химические свойства, методы синтеза и потенциальные области применения этих необычных мягких металлов, такие как гибкая электроника, мягкая робототехника, самовосстанавливающиеся структуры и многое другое. Узнайте, что ученые делают с жидкими металлическими материалами, свойства которых можно изменять между твердым и жидким состояниями.

Жидкие металлические материалы: Производство с изменением формы

В отличие от обычных жидких металлических материалов, некоторые сплавы галлия достигают жидкого состояния при комнатной температуре или вблизи нее благодаря очень низким температурам плавления. Это позволяет осуществлять динамические переходы между твердой и жидкой фазами при небольших изменениях температуры. В сочетании с электрической проводимостью эти обратимые переходы позволяют использовать их в самых разных областях - от самовосстанавливающихся схем до реконфигурируемой робототехники. Здесь мы представляем некоторые особенности, свойства и потенциальные возможности применения жидких сплавов на основе галлия, а также некоторые из новых подходов к созданию и моделированию структур с помощью этих универсальных мягких материалов.

Сплавы галлия и будущее структурированных жидких металлов комнатной температуры

Галлий - это мягкий серебристый металл, который находится в твердом состоянии при комнатной температуре. Тем не менее, когда галлий соединяют с другими металлами, такими как индий и олово, получаются сплавы или смеси, которые остаются в жидком состоянии при комнатной температуре. Эти особые жидкие металлические материалы обладают некоторыми довольно уникальными характеристиками, поэтому давайте рассмотрим их более подробно.

Три сплава галлия - это галинстан, EGaIn и металл Филда. Галинстан - это сплав, состоящий из галлия, индия и олова. EGaIn - это металлический сплав с жидкой и текучей природой, изготовленный из индия, галлия и олова. EGaIn - это смесь галлия и индия. Field's изготовление металлических листов содержит висмут, индий и олово. Все эти сплавы плавятся при температуре ниже 30 градусов Цельсия, что означает, что они могут легко переходить из твердого состояния в жидкое, просто немного нагреваясь или охлаждаясь.

Удивительная особенность жидких металлов заключается в том, что они текут, как вода, но хорошо проводят электричество, как обычные металлы. Это делает их полезными для приложений, где требуется гибкость и электропроводность. Они легко заполняют странные формы и прилегают к поверхностям, с которыми соприкасаются.

Поскольку жидкие металлы представляют собой смеси различных элементов, их температуры плавления ниже, чем у любого из чистых металлов в отдельности. Галинстан плавится при температуре около -19 градусов Цельсия, EGaIn - при 15 градусах, а металл Филда - при 62 градусах. При температуре, близкой к комнатной, они остаются жидкими, но могут ненадолго затвердеть, если их немного охладить.

Способность обратимо менять фазы с твердой на жидкую открывает новые возможности. Устройства, изготовленные из сплавов галлия, могут самовосстанавливаться, если их структура нарушена, поскольку металл может снова сливаться воедино. Их мягкость также делает жидкие металлы более безопасными, чем жесткие материалы, если питаемые схемы должны взаимодействовать с людьми.

В целом, жидкие металлы при комнатной температуре обладают сочетанием свойств, которых нет в традиционных изготовление массивных металлических конструкций или других материалов. Их электропроводность позволяет интегрировать их в электронные и энергетические приложения, а текучесть обеспечивает гибкость. Многие исследователи изучают возможности применения галлиевых сплавов в сенсорах, биомедицинских устройствах, самосборных структурах и т.д. Только время покажет, как эти замечательные многофункциональные материалы смогут изменить технологии.

Применение низкоплавких жидких металлов

Поскольку жидкие металлы могут действовать как провода, которые сгибаются и складываются, не ломаясь, они очень полезны для гибкой электроники. Исследователи создали транзисторы и интегральные схемы из жидких металлических материалов, которые сохраняют функциональность даже при растяжении или скручивании. Дисплеи, изготовленные из сплавов галлия, могут изменять конфигурацию пикселей, когда экран сжимается или складывается.

В другом приложении используется способность жидких металлов к самоисцелению. Цепи, созданные из крошечных капель галлиевого сплава, могут автоматически восстанавливать разрывы в проводящих путях. Если соединение разрывается из-за износа или повреждения, жидкий металл может реинтегрироваться и восстановить связь. Это позволяет создавать самовосстанавливающиеся электронные устройства с защищенными от разрывов межсоединениями.

Мягкая робототехника - еще одна область, получающая выгоду от Экономичный металл технологии материалов. Сплавы галлия, введенные в эластомеры, могут создавать роботов с регулируемой формой под воздействием магнитных или электрических полей. Сложные модульные структуры также могут самостоятельно собираться из компонентов жидкого металла под управлением внешних элементов управления.

В некоторых инновационных проектах даже используется плавучесть жидких металлов. Микропузырьки, впрыснутые в сплавы галлия, делают их менее плотными, чем вода. Это позволяет создавать плавающих роботов, реконфигурируемые плоты и экзоскелеты, распределяющие вес по телу. Легкие вспомогательные устройства или водные транспортные средства могут помочь расширить возможности человека.

От гибких гаджетов до самовосстанавливающихся схем и трансформирующихся ботов - достижения в области синтеза галлиевых сплавов и манипулирования ими способствуют появлению новых приложений. Способность жидкометаллических материалов плавно объединять в себе проводимость, текучесть и внешнюю форму открывает двери в такие области, как здравоохранение, инфраструктура и многое другое. Дальнейшее развитие, несомненно, приведет к появлению еще большего числа инновационных применений.

Реконфигурируемые структуры благодаря фазовым переходам в жидком металле

2D-морфинг пленок жидкого металла

Исследователи разработали методику динамической трансформации жидких металлических материалов в заданные пользователем 2D-формы с помощью электрически запрограммированного эффекта поверхностного натяжения. Прикладывая разность напряжений к техники изготовления металлических изделий Пленки, впрыснутые в эластомерные подложки, могут избирательно понижать поверхностную энергию в определенных областях рисунка. Это позволяет по команде изменять геометрию и динамическое программирование положения жидкого металла при комнатной температуре.

Метаматериалы из жидкого металла с магнитным приводом

В другом подходе используются метаматериалы из жидких металлических материалов, приводимые в действие магнитным полем. Встраивая крошечные капельки или микроканалы галлиевого сплава в эластомерные композитные структуры, приложенные магнитные поля могут деформировать и изменять их общую форму. Вызванные полем напряжения деформируют жидкие шаблоны внутри подложки, изменяя как внешнюю геометрию, так и внутренние связи. Такие свойства, как плотность, структура пор и структура включений, могут быть настроены с помощью магнитного программирования поведения твердой и жидкой фаз жидкого металла.

Реконфигурируемые 3D-печать Решетчатые материалы на основе жидких металлов сочетают в себе эти техники. Гибридные подходы к производству приводят к созданию ферменных структур, наполненных галлием, геометрией каркаса и конфигурацией элементарных ячеек которых можно динамически управлять. Обратимое затвердевание открывает возможности для развертывания и самовосстановления, а электропроводность позволяет создавать различные приложения - от биомедицинских датчиков и мягких роботов до развертываемой электроники и реконфигурируемых электромагнитных линз или экранов.

Жидкие металлы для гибкой электроники при комнатной температуре

Жидкие металлические сплавы и схемы

В ключевой разработке использовался низкоплавкий эвтектический сплав галлия и индия, известный как EGaIn. Исследователи из Карнеги-Меллон синтезировали этот металл в микроскопические капельки, которые могли действовать как перепрограммируемые пиксели. При подаче крошечного напряжения жидкие разъемы могли соединять или разъединять дорожки схемы подобно полупроводниковым транзисторам. Это позволило создать новую парадигму для самовосстанавливающихся схем, которые могут восстанавливать связь благодаря перераспределению жидкости.

Жидкометаллические транзисторы и дисплеи

Теоретически, податливость и проводимость жидких металлических материалов делают их хорошо подходящими для разработки гибкой электроники следующего поколения. Среди изучаемых приложений - перезаписываемые и складываемые дисплеи с пикселями из жидкого металла. Листы этих динамических сплавов для дисплеев могут складываться, скручиваться и менять форму без нарушения схемы. Технология может найти применение в электронной коже, которая прилегает к нежестким поверхностям, например, к человеческому телу.

Конформные покрытия для растягивающихся схем

Для создания схем на основе жидких металлических материалов очень важно тщательное нанесение тонких и ровных покрытий на эластичные подложки. Такие методы, как спин-коатинг и вакуумное литье, позволяют наносить сплавы галлия на пленки толщиной всего несколько микрометров. В сочетании с традиционными конструкциями растягивающихся схем эти податливые жидкие покрытия позволяют создавать носимую электронику и биоинтегрированные устройства, которые остаются функциональными даже при физическом растяжении или деформации. Потенциальные области применения варьируются от датчиков, встраиваемых в медицинские препараты, до конформных "умных" тканей.

Самовосстановление с помощью изменения фазы жидкого металла

Восстанавливаемое поглощение энергии в решетках жидких металлов

Исследователи 3D-печать металлом Решетки на основе эластомеров с внутренним каркасом из прожилок жидких металлических материалов. Подвергая эти материалы механической нагрузке, жидкий компонент пластически деформируется в эластичном полимерном каркасе. После снятия нагрузки застывание жидкости и ее последующий нагрев позволяют исходной конфигурации решетки самовосстановиться благодаря эффекту памяти формы. Это позволяет структурам многократно поглощать и восстанавливаться после сильных ударов или деформаций.

Настраиваемая жесткость с помощью температурного контроля

Другая стратегия самовосстановления предполагает изменение температуры окружающей среды, чтобы направить переход жидких металлических материалов в твердое состояние. Композиты, содержащие долю галлиевого сплава, будут естественным образом становиться жестче по мере того, как он застывает при охлаждении, и снова размягчаются при повторном нагревании до температуры плавления. Предварительные работы продемонстрировали материалы, которые могут выборочно регулировать свою эффективную жесткость "по требованию", изменяя условия окружающей среды.

Динамическая программируемая связь с полем

При более активном подходе внешние раздражители направляют перераспределение жидких металлических материалов. Например, композиты, содержащие электрические пути, могут заживлять порезы или зазоры при прохождении через них тока. Аналогичным образом, структурные повреждения могут вызвать рост вен из жидкого металла с помощью локализованных электромагнитных полей. Это дает возможность как самовосстановления существующих соединительных сетей, так и перепрограммирования совершенно новых конфигураций и топологий.

Заключение

В заключение можно сказать, что сплавы жидких металлов на основе галлия проявляют необыкновенные свойства, которые открывают новые возможности для создания передовых материалов. Их способность претерпевать обратимые фазовые переходы твердое тело-жидкость чуть выше комнатной температуры обеспечивает им многофункциональное поведение в отличие от обычных жестких металлов. Текучесть жидких металлов позволяет проводить структурную перестройку и самовосстановление путем перераспределения или застывания жидкости. В то же время, их электропроводность позволяет применять их в гибкой электронике, мягкой робототехнике и реконфигурируемых электромагнитных устройствах. Текущие исследования продолжают открывать новые способы изготовления, функционализации и управления поведением этих замечательных материалов. При дальнейшем развитии жидкие металлы могут произвести революцию в таких областях, как биомедицинские имплантаты, настраиваемое оборудование и развертываемые технологии.

Вопросы и ответы

Вопрос: Что особенного в сплавах галлия, что делает их жидкими при комнатной температуре?

О: Чистый галлий плавится чуть выше комнатной температуры. Легирование его другими металлами, такими как индий и олово, снижает температуру плавления еще больше, в некоторых случаях ниже 0°C. Их особый состав позволяет этим галлиевым смесям оставаться жидкими при обычных условиях в помещении/на улице.

В: Как Вы придаете форму жидким металлическим материалам?

О: Как и традиционные материалы, которым можно придать форму с помощью давления, тепла или расплава, жидкие металлические материалы могут быть сформированы с помощью аморфных технологий, используемых в 3D-печати, литье под давлением или нанесении покрытий методом спин/дайп. Их форму можно также контролировать после спекания, используя такие факторы, как применение магнитных полей, токов или изменение температуры, что заставляет материал проходить циклы затвердевания - разжижения - затвердевания.

В: Некоторые возможные области применения технологий жидких металлов включают:

О: Некоторые из областей, активно исследуемых в этой области, охватывают растягивающуюся и носимую электронику, заживляемые схемы и электронику, мягкую робототехнику, настраиваемые структуры и морфинг-интерфейсы. Свойство гибкости, позволяющее вести себя как жидкость, но при этом проводить электричество, открывает новые возможности в таких областях, как носимые вещи, биомедицинские имплантаты и развертываемые структуры.