Ciekły metal: struktura, właściwości

Dziś wstrząsa się zwykłym wyobrażeniem, że metal w stanie normalnym jest solidny. Przez długi czas uważano, że jedynym wyjątkiem od tego stwierdzenia jest rtęć, która pozostaje w stanie ciekłym do -39 ° C. Odpowiedź na pytanie, który metal jest ciekły, nie jest tak prosta.

Metale ciekłe w przyrodzie

W rzeczywistości rtęć nie jest jedynym płynnym metalem na świecie. Znane są także galu, cezu i franu, które są w stanie ciekłym do + 30 ° C.

Galu jest bardzo szeroko stosowany, na przykład w elektronice. Poza tym, że topi się w niskich temperaturach, galu, a to jest jego główna zaleta, wrze w temperaturze nie niższej niż 2230 ° C. Niezwykle szeroki interwał międzyfrakcyjny umożliwia wykorzystanie tego pierwiastka do działania reaktorów atomowych.

Cez jest nie mniej wymagającym pierwiastkiem, pomimo tego, że jest niezwykle mały w skorupie ziemskiej, a jego ekstrakcja jest trudna.

I tutaj pierwiastek radioaktywny Francja, której okres półtrwania wynosi nieco ponad 22 minuty, powstaje w czasie rozpadu morskiego anemonu i wciąż nie wiadomo, jak to wygląda. Nawet naukowcy wiedzą o nim bardzo niewiele, a wiedza ta gromadzi się stopniowo. Laboratoria naukowe przeprowadzają badania tego pierwiastka na próbkach o masie jednej dziesiątej miliona gramów, co co dwadzieścia dwie minuty zmniejsza się o połowę.

Oznacza to, że w temperaturach nieznacznie różniących się od temperatury pokojowej cztery pierwiastki układu okresowego można nazwać ciekłymi metalami, w tym rtęcią.

Struktura metalu

W metalach atomy są ułożone w ścisłym porządku geometrycznym i tworzą sieć krystaliczną. Ich rodzaje w różnych metalach i stopach różnią się w zależności od liczby i rozmieszczenia atomów.

W stopionych metalach atomy są w ruchu chaotycznym, a wiązania między nimi są zerwane.

Zwykły stopiony ciekły metal z kuny jest po prostu materiałem z siatką krystaliczną i zwykłymi właściwościami ciała stałego w normalnej temperaturze.

Podczas chłodzenia ciekłego metalu rozpoczyna się proces krystalizacji, którego szybkość wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Wiązania między atomami zostają przywrócone i uformowane sieć krystaliczna. Naruszenie integralności metalu, na przykład powstawanie rdzy lub pęknięć, występuje dokładnie na granicach między kryształami. Oznacza to, że jeśli nie ma wyraźnych granic między kryształami, to nie tylko mechaniczne, ale także elektryczne i magnetyczne właściwości zmiany metalu.

Właściwości ciekłych metali

Naukowcy twierdzą, że amorficzne materiały mogą być dziesięć razy silniejsze niż krystaliczne analogi i ich rezystancja elektryczna powyżej pięć razy. Ponadto w normalnej temperaturze są w stanie zachować właściwości przez ponad sto lat, ale ciepło jest źle tolerowane.

Jeśli ciekły metal z kuny ochłodzi się tak szybko, że wiązania między atomami i kryształami nie mają czasu na odzyskanie, wtedy dostajesz substancję w stanie amorficznym, łącząc właściwości metali i cieczy.

Ma napięcie powierzchniowe i lepkość cieczy, i kurczy się i odbija fale elektromagnetyczne, jak każdy metal. Struktura ciekłych metali jest chaotyczną akumulacją atomów bez sztywnych wiązań między nimi.

Ponieważ nie ma struktury krystalicznej, takie substancje mają niezwykłe właściwości magnetyczne, wysoką wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość.

Ciekły metal jest ponad dwa razy mocniejszy od tytanu, nie rdzewieje i może być formowany do postaci nawet najbardziej skomplikowanej, jak każdy plastik. Jednocześnie po odlaniu nie jest konieczne żadne dodatkowe przetwarzanie produktu - ma wyraźne kontury i idealnie gładką powierzchnię.

Metale ciekłe na bazie galu

Stopy oparte na metalach o niskiej temperaturze topnienia i około 30 z nich w przemyśle światowym ma temperaturę topnienia poniżej 70 ° C. Większość z nich jest chemicznie aktywna i toksyczna. Stopy na bazie galu, które obejmują ind, cynę i cynk w różnych proporcjach, topią się w niskich temperaturach, poniżej 40 ° C i nie są ani toksyczne, ani aktywne chemicznie. W przemyśle jest ich tylko osiem, ale zmiany mogą być znacznie większe, w zależności od procentu składników.

Te stopy są ciekłymi metalami. Nie są toksyczne, ale eksperci zalecają współpracę z nimi w celu podjęcia środków ostrożności i pracy w gumowych lub bawełnianych rękawiczkach.

Metody wytwarzania ciekłych metali

Jeśli nie mówimy o metalach ciekłych na bazie galu, to przede wszystkim naukowcy szukali możliwości szybkiego ochłodzenia stopionego metalu. Istnieje metoda natryskiwania metalu za pomocą urządzenia przypominającego atomizator, w cienkiej warstwie na bardzo zimnej powierzchni. Metoda ta nazywa się rozpylaniem jonowym. Zastosowane i zastosowanie ciekłego metalu na obrotowym dysku. W każdym razie, stosując takie metody, można było uzyskać wąskie paski metalu, które nie mogą być połączone za pomocą gorących metod wspólnych dla substancji krystalicznych.

Następnym krokiem było stworzenie stopów metali, które są źle ze sobą połączone. Eksperci w Caltech opracowali stop o nazwie Liquidmetal. Skład ciekłego metalu obejmuje tytan, miedź, nikiel, cyrkon i beryl. Podczas chłodzenia takiego stopu krystalizacja zachodzi bardzo powoli, ponieważ atomy metalu mają bardzo różną wielkość.

Wykorzystanie ciekłych metali

Metale płynne na bazie galu są stosowane w systemach alarmowych, jako chłodziwa w układach chłodzenia o wysokich temperaturach roboczych.

W okresie, w którym stop "ciekły metal" uzyskiwano w postaci wąskich wstęg, wykorzystano go do stworzenia oznaczenia kodu przeznaczonego do zwalczania kradzieży i stosowania w powlekanych rurach wiertniczych, aby zwiększyć ich żywotność.

Kiedy powstał Liquidmetal, zaczęto go używać do produkcji kijów golfowych. Obliczenia wykazały, że taki klub daje piłce moc bardziej energiczny niż normalnie.

Eksperci Liquidmetal Technologies są zaangażowani w rozwój wiodących producentów nart i kije baseballowe.

W przemyśle obronnym Liquidmetal może zastąpić zubożony uran w zbroi pancernej.

W Rosji elementy i mikrowiry do szczególnie wrażliwych i dokładnych przyrządów do produkcji instrumentów medycznych i sprzętu elektronicznego, filtry do ochrony papierów wartościowych i banknotów przed fałszerstwami i wiele więcej, zostały wykonane z ciekłego metalu otrzymanego ze stopu chłodzonego na obracającym się dysku.

Ciekłe metale jako interfejs termiczny

Interfejs termiczny jest szeroko stosowany w urządzeniach pomiarowych, urządzeniach elektronicznych i komputerach domowych.

Interfejs termiczny jest termoprzewodzącą substancją, która jest nanoszona cienką warstwą pomiędzy powierzchnią, która musi być chłodzona, a urządzeniem zaprojektowanym do usuwania ciepła.

Są na to wysokie wymagania:

- stała konsystencja, która nie zmienia się podczas pracy lub przechowywania;

- stabilność charakterystyk w zakresie temperatur roboczych;

- nietoksyczny i niepalny;

- łatwość nakładania i usuwania z powierzchni;

- minimalny opór cieplny.

Najbardziej rozpowszechnionym typem interfejsu termicznego jest pasta termoprzewodząca lub, bardziej prosto, pasta termiczna. Ciekły metal o wysokim współczynniku przewodności cieplnej i innych właściwościach najlepiej spełnia wymagania dla smaru termicznego.

W komputerach na płytki obwodów drukowanych Procesory emitują dużą ilość ciepła. Na procesorze zainstalowany jest mechanizm chłodzący (kaloryfer). Aby zwiększyć wydajność usuwania ciepła i usunąć szczelinę powietrzną między chłodnicą a procesorem, stosuje się pastę termiczną.

Produkty Coollaboratory

Firma Coollaboratory opracowała produkt składający się wyłącznie z ciekłych metali, bez cząstek stałych i niemetalicznych dodatków.

Płynny metal Coollaboratory Liquid Pro jest termoprzewodzącym materiałem o wysokiej przewodności cieplnej, zewnętrznie przypominającym rtęć, ale nietoksycznym, charakteryzującym się wysoką zdolnością zwilżania wielu materiałów.

Ciecz chłodząco-smarująca Ultra w postaci pasty jest łatwo nakładana za pomocą pędzla na pokrywę rozprowadzającą ciepło procesora.

Coollaboratory Liquid Metal Pad to termoprzewodząca uszczelka, którą można łatwo nakładać na powierzchnię i topić tylko wtedy, gdy procesor jest podgrzewany.

Wszystkie te ciekłe metale nie mogą działać w kontakcie z aluminium - grzejnik musi być wykonany z miedzi z niklem. Producent twierdzi, że posiada unikalny współczynnik przewodności cieplnej Coollaboratory Liquid Metal. To prawda, że ​​recenzje tego ciekłego metalu są niejednoznaczne, a wielu użytkowników ma wątpliwości co do podanych cech.

Wykorzystanie producentów smartfonów z ciekłych metali

Obecnie amerykańska wersja iPhone'a zawiera narzędzie do wyodrębniania karty SIM, innymi słowy, i-Clip z ciekłego metalu.

Ale tak wyjątkowa substancja, która ma zdolność przyjmowania dowolnej formy o niewielkiej masie, właściwościach antykorozyjnych, a szczególnie wysokiej wytrzymałości, wysokiej odporności na zużycie, wysoki współczynnik odzysku, może być wykorzystana do produkcji futerałów smartfonów, pamięci flash i zegarków. Apple planuje wyprodukować klucz domowy i powierzchnię dotykową z ciekłego metalu.

HTC zamierza także wykorzystać LiquidMetal do produkcji futerałów smartfonów. Ale te dane są nieoficjalne.

Ale Turing Robotics Industries (TRI), tworząc unikalny smartfon z Androidem, Turing Phone używa ciężkiego cyrkonu, miedzi, aluminium, niklu i stopu srebra, który nazywa się liquidmorfium w opisach komponentów smartfona, aby oprawić obudowę i wyświetlacz ramki. Stop ten jest znacznie silniejszy niż tytan i skutecznie wytrzymuje wstrząsy i odbija światło w specjalny sposób.

Drukowanie 3D za pomocą ciekłego metalu

Specjaliści z University of North Carolina pobierali taki stop galu i indu, który zachowuje swój kształt po wydrukowaniu. Cienka warstewka tlenku utrzymuje drukowaną strukturę kulek i włókien, która pozostaje płynna w środku. Korzystając z technologii druku trójwymiarowego, można wytwarzać elastyczne elastyczne druty, które wytrzymują wielokrotne rozciąganie i kompresję.

Wcześniej, australijscy naukowcy, którzy stworzyli metalowe obiekty, które muszą przywrócić kształt, użyli opartego na galu stopu galu, cyny i indu o temperaturze topnienia 19 ° C i specjalnej powłoce proszkowej.

Naukowcy uważają, że takie produkty są w stanie wyrazić siebie w elektronice.

Farby "ciekły metal"

Farby o tym imieniu, ściśle mówiąc, nie są ciekłymi metalami.

Ciekły metal - farba z pigmentów metali, drobnych proszków z metali nieżelaznych i stopów aluminium, miedzi, cynku, brązu. Pigmenty metaliczne obejmują złoty brąz, proszek miedzi, proszek aluminiowy i cynkowy. Farby takie mają dobrą przyczepność do dowolnych powierzchni: tworzyw sztucznych, metali, tkanin, szkła, gipsu, ceramiki, drewna. Równomiernie spryskać dysze od 0,2 mm i utrwalić lakierami na bazie wody.

Farba "ciekłego metalu" marki Maimeri ("Maymer") na bazie żywicy rozcieńcza się alkoholem i służy do ozdabiania cienkich powierzchni - papieru, tektury, drewna. Charakteryzuje się dodatkową odpornością na zużycie i utlenianie.

Ciekły metal Viva ("Viva") rozcieńcza się wodą i jest przeznaczony do malowania porcelany, fajansu, ceramiki, garncarstwa.

Specjalna farba została opracowana przez specjalistów Mercedes Benz dla coupe CL 65 AMG w oparciu o najlepsze pigmenty aluminiowe. Ta powłoka dobrze odbija światło i intensywnie świeci.

Podsumowując, możemy stwierdzić, że pojęcie "ciekły metal z kuny" nie jest wyczerpujące. Co jeszcze można przypisać do tej kategorii materiałów? "Płynny metal" - nazwa to także sztuczne stopy i substancje w stanie amorficznym, o właściwościach metali, w tym kolorze i połysku.