Жидкий металл
Жидкий металл — это металл или металлический сплав , который является жидким при комнатной температуре или около нее . [1]
Единственным стабильным жидким элементарным металлом при комнатной температуре является ртуть (Hg), которая плавится при температуре выше -38,8 ° C (234,3 К, -37,9 ° F). Три более стабильных элементарных металла плавятся чуть выше комнатной температуры: цезий (Cs), температура плавления которого составляет 28,5 ° C (83,3 ° F); галлий (Ga) (30 °C [86 °F]); и рубидий (Rb) (39 ° C [102 ° F]). Радиоактивный металл франций (Fr), вероятно, также находится в жидком состоянии при температуре, близкой к комнатной. Расчеты предсказывают, что радиоактивные металлы коперниций (Cn) и флеровий (Fl) также должны быть жидкими при комнатной температуре. [2]
Сплавы могут быть жидкими, если они образуют эвтектику , а это означает, что температура плавления сплава ниже, чем у любого из металлов, входящих в состав сплава. Стандартным металлом для создания жидких сплавов раньше была ртуть , но сплавы на основе галлия , которые имеют более низкое давление паров при комнатной температуре и токсичность, используются в качестве замены в различных приложениях. [3] [4]
Тепловая и электропроводность [ править ]
Системы сплавов, которые являются жидкими при комнатной температуре, имеют теплопроводность , намного превосходящую обычные неметаллические жидкости. [5] позволяя жидкому металлу эффективно передавать энергию от источника тепла к жидкости. Они также имеют более высокую электропроводность, что позволяет более эффективно перекачивать жидкость электромагнитными насосами. [6] Это приводит к использованию этих материалов для конкретных целей теплопроводности и/или рассеивания тепла.
Еще одним преимуществом систем жидких сплавов является присущая им высокая плотность.
Вязкость [ править ]
Вязкость жидких металлов может сильно меняться в зависимости от атомного состава жидкости, особенно в случае сплавов. В частности, температурная зависимость вязкости жидких металлов может варьироваться от стандартной зависимости закона Аррениуса до гораздо более крутой (неаррениусовской) зависимости, такой как зависимость, определяемая эмпирически уравнением Фогеля-Фульчера-Таммана .Также была разработана физическая модель вязкости жидких металлов, которая отражает эту большую изменчивость с точки зрения основных межатомных взаимодействий. [7]
Электрическое сопротивление жидкого металла можно оценить с помощью формулы Зимана, которая дает сопротивление через статический структурный фактор жидкости, который можно определить с помощью измерений рассеяния нейтронов или рентгеновских лучей.
и неметаллических металлических Смачивание поверхностей
После оксидов удаления с поверхности подложки большинство жидких металлов смачивают большинство металлических поверхностей. При комнатной температуре жидкие металлы часто реакционноспособны и растворимы на металлических поверхностях, хотя некоторые твердые металлы устойчивы к воздействию обычных жидких металлов. [8] Например, галлий вызывает коррозию всех металлов, кроме вольфрама и тантала , которые обладают более высокой устойчивостью к коррозии, чем ниобий , титан и молибден . [9]
Подобно индию , галлий и галлийсодержащие сплавы обладают способностью смачивать многие неметаллические поверхности, такие как стекло и кварц . Осторожное втирание сплава в поверхность может способствовать смачиванию. Однако это наблюдение «смачивания путем трения о поверхность стекла» породило широко распространенное заблуждение о том, что жидкие металлы на основе галлия смачивают стеклянные поверхности, как будто жидкость отрывается от оксидной пленки и смачивает поверхность. В действительности все наоборот: оксид заставляет жидкость смачивать стекло. Более подробно: по мере втирания и распределения жидкости по поверхности стекла жидкость окисляется и покрывает стекло тонким слоем оксидных (твердых) остатков, на которых смачивается жидкий металл. Другими словами, мы видим жидкий металл на основе галлия, смачивающий свой твердый оксид, а не стекло. По-видимому, указанное заблуждение было вызвано сверхбыстрым окислением жидкого галлия даже в следовых количествах кислорода, т. е. истинного поведения жидкого галлия на стекле никто не наблюдал до тех пор, пока не были проведены исследования в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе развенчал вышеупомянутый миф, протестировав Галинстан , сплав на основе галлия, который является жидким при комнатной температуре, в бескислородной среде. [10] Примечание. Эти сплавы образуют тонкую тусклую оксидную пленку, которая легко диспергируется при легком перемешивании . Поверхности, не содержащие оксидов, яркие и блестящие.
Приложения [ править ]
Благодаря своим превосходным характеристикам и методам производства жидкие металлы часто используются в носимых устройствах, медицинских устройствах, взаимосвязанных устройствах и так далее. [3] [4]
Типичные области применения жидких металлов включают термостаты , переключатели , барометры , теплопередачи системы теплового охлаждения и отопления. , а также конструкции [11] Уникально то, что их можно использовать для проведения тепла и/или электричества между неметаллическими и металлическими поверхностями.
Жидкий металл иногда используется в качестве материала термоинтерфейса между кулерами и процессорами из-за его высокой теплопроводности. В PlayStation 5 игровой консоли используется жидкий металл для охлаждения высоких температур внутри консоли. [12] Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем также используют их.
Жидкий металл можно использовать для носимых устройств [4] [3] и на запчасти. [13]
Жидкий металл иногда можно использовать в биологических целях, например, для создания межсоединений, которые сгибаются без усталости. Поскольку Галинстан не особенно токсичен, провода из силикона с сердцевиной из жидкого металла были бы идеальными для внутрисердечных кардиостимуляторов и нервных имплантатов, где деликатная ткань мозга не может переносить обычный твердый имплантат. Фактически, провод, изготовленный из этого материала, можно растянуть в 3 или даже в 5 раз больше своей длины и при этом проводить электричество, возвращаясь к исходному размеру и форме без потерь. [14]
Благодаря уникальному сочетанию высокого поверхностного натяжения и жидкостной деформируемости жидкие металлы оказались замечательным материалом для создания мягких приводов . [15] [16] [17] Механизмы генерации силы в приводах из жидкого металла обычно достигаются за счет модуляции их поверхностного натяжения. [18] [19] [20] Например, каплю жидкого металла можно спроектировать так, чтобы она соединяла две движущиеся части (например, в роботизированных системах ) таким образом, чтобы вызывать сжатие при увеличении поверхностного натяжения. [21] Принципы мышечного сокращения в приводах из жидкого металла были изучены на предмет их потенциала в качестве искусственных мышц следующего поколения , которые предлагают несколько преимуществ, специфичных для жидкости, по сравнению с другими твердыми материалами. [22]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Нойманн, Тейлор В.; Дики, Майкл Д. (2020). «Прямая запись жидким металлом и 3D-печать: обзор» . Передовые технологии материалов . 5 (9): 2000070. doi : 10.1002/admt.202000070 . ISSN 2365-709X .
- ^ Мьюз, Ян-Майкл; Швердтфегер, Питер (11 февраля 2021 г.). «Исключительно релятивистский: периодические тенденции в температурах плавления и кипения группы 12» . Ангеванде Хеми . 60 (14): 7703–7709. дои : 10.1002/anie.202100486 . ПМК 8048430 . ПМИД 33576164 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Кляйнер, Курт (3 мая 2022 г.). «Галлий: жидкий металл, который может изменить мягкую электронику» . Знающий журнал . doi : 10.1146/knowable-050322-2 . Проверено 31 мая 2022 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Тан, Ши-Ян; Табор, Кристофер; Калантар-Заде, Курош; Дики, Майкл Д. (26 июля 2021 г.). «Жидкий металл-галлий: эликсир дьявола» . Ежегодный обзор исследований материалов . 51 (1): 381–408. Бибкод : 2021AnRMS..51..381T . doi : 10.1146/annurev-matsci-080819-125403 . ISSN 1531-7331 . S2CID 236566966 .
- ^ Куньцюань, Ма; Цзин, Лю (октябрь 2007 г.). «Управление жидким металлом компьютерных чипов». Границы энергетики и энергетики Китая . 1 (4): 384–402. дои : 10.1007/s11708-007-0057-3 . ISSN 1673-7504 . S2CID 195071023 .
- ^ Майнер, А.; Гошал, У. (19 июля 2004 г.). «Охлаждение микроустройств большой мощности с использованием жидкометаллических теплоносителей». Письма по прикладной физике . 85 (3): 506–508. Бибкод : 2004АпФЛ..85..506М . дои : 10.1063/1.1772862 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Фу, Юй; Тан, Ян, Шэнлань; Ло, Цюнь, Лицзюнь; Пань, Фушэн (01.06.2024) . легких сплавов: прогресс и проблемы» . Journal of Materials Science & Technology . 183 : 72–88. doi : 10.1016/j.jmst.2023.11.002 . ISSN 1005-0302 . S2CID 265424554 .
- ^ Уэйд, К.; Банистер, Эй Джей (1975). Химия алюминия, галлия, индия и таллия . Пергамские тексты в неорганической химии. Том. 12. ASIN B0007AXLOA .
- ^ Лион, Ричард Н., изд. (1952). Справочник по жидким металлам (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Лю, Т.; С., Просенджит; Ким, К.-Дж. (апрель 2012 г.). «Характеристика нетоксичного жидкометаллического сплава галинстана для применения в микроустройствах». Журнал микроэлектромеханических систем . 21 (2): 443–450. CiteSeerX 10.1.1.703.4444 . дои : 10.1109/JMEMS.2011.2174421 . S2CID 30200594 .
- ^ Материалы термоинтерфейса из жидкого металла
- ^ Грабб, Джефф (7 октября 2020 г.). «В PlayStation 5 используется жидкий металл — вот почему это круто» . ВенчурБит . Проверено 19 декабря 2020 г.
- ^ «Дебют 3D-печати жидким металлом» . Мир автоматизации . 18 февраля 2021 г. Проверено 23 июля 2022 г.
- ^ Чжан, Минкуань; Ван, Сяохун; Хуан, Чжипин; Рао, Вэй (2020). «Гибкие и имплантируемые биосенсоры на основе жидкого металла» . Биосенсоры . 10 (11): 170. doi : 10.3390/bios10110170 . ПМЦ 7696291 . ПМИД 33182535 .
- ^ Дики, Майкл Д.; Кьечи, Райан С; Ларсен, Райан Дж; Вайс, Эмили А; Вайц, Дэвид А; Уайтсайдс, Джордж М. (2008). «Эвтектический галлий-индий (EGaIn): жидкометаллический сплав для формирования стабильных структур в микроканалах при комнатной температуре» . Передовые функциональные материалы . 18 (7): 1097–1104. дои : 10.1002/adfm.200701216 . S2CID 538906 .
- ^ Ляо, Цзяхэ (2022). Жидкометаллические приводы (кандидатская диссертация). Университет Карнеги-Меллон.
- ^ Маджиди, Кармель (2021). «Жидкоподобные мягкие машины с жидким металлом» . Иметь значение . 4 (2): 336–337. дои : 10.1016/j.matt.2021.01.009 .
- ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель (2021). «Мягкие приводы электрохимическим оксидированием поверхностей жидких металлов» . Мягкая материя . 17 (7): 1921–1928. Бибкод : 2021SMat...17.1921L . дои : 10.1039/D0SM01851A . ПМИД 33427274 . S2CID 231577619 .
- ^ Рассел, Лорен; Виссман, Джеймс; Маджиди, Кармель (18 декабря 2017 г.). «Жидкометаллический привод, приводимый в движение электрохимическим воздействием поверхностного натяжения» . Письма по прикладной физике . 111 (25): 254101. Бибкод : 2017ApPhL.111y4101R . дои : 10.1063/1.4999113 .
- ^ Хан, Мохаммад Рашед; Икер, Коллин Б; Боуден, Эдмонд Ф; Дики, Майкл Д. (2014). «Гигантская и переключаемая поверхностная активность жидкого металла посредством поверхностного окисления» . Труды Национальной академии наук . 111 (39): 14047–14051. Бибкод : 2014PNAS..11114047K . дои : 10.1073/pnas.1412227111 . ПМК 4191764 . ПМИД 25228767 .
- ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель (2022). «Линейные приводы, основанные на мышцах, путем электрохимического окисления мостиков из жидкого металла» . Передовая наука . 9 (26): 2201963. doi : 10.1002/advs.202201963 . ПМЦ 9475532 . ПМИД 35863909 .
- ^ Ляо, Цзяхэ; Маджиди, Кармель; Ситти, Метин (2023). «Жидкометаллические приводы: сравнительный анализ срабатывания, управляемого поверхностным натяжением» . Продвинутые материалы . 36 (1): 2300560. doi : 10.1002/adma.202300560 . hdl : 20.500.11850/641439 . ПМИД 37358049 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
