Как жидкий металл может сделать обычные предметы «умными»
«Умные» материалы обладают способностью изменять свои свойства (форму, жесткость, цвет, прозрачность) в ответ на внешние стимулы — температуру, давление, ток и т.д. Они используются в различных областях, включая электронику, медицину, робототехнику и архитектуру. Рынок «умных» материалов в 2022 году оценивался в $52,6 млрд. И в будущем он будет постепенно расти: эксперты прогнозируют, что он достигнет объемов $97,3 млрд к 2028 году.
Жидкий металл уже используется в микросхемах и датчиках, но не как покрытие. Группа ученых под руководством Бо Юаня из Университета Цинхуа в Китае придумала способ наносить жидкий металл, чтобы он прилипал к объектам без клея. Исследователи обнаружили, что покрытая таким материалом бумага может самостоятельно складываться в фигуры оригами, проводить тепло и электричество.
Липкий сплав
Жидкий металл редко липнет к поверхностям без клея. Клей же негативно влияет на свойства самого вещества, в том числе на проводимость. Чтобы найти металл, который бы мог прилипать без клея, Бо Юань с коллегами сравнили два сплава — висмута, индия и оксида олова (BiInSn), а также индия и галлия (eGaIn).
BiInSn оказался более эффективным. В отличие от eGaIn, он не окисляется при контакте с воздухом, имеет более высокую температуру плавления и способен к более сильной адгезии (уровень сцепления поверхности). В интервью порталу ArsTechnica Бо Юань отметил: «Нам нужно было обеспечить равномерную адгезию жидкого металла в больших масштабах на разной бумаге и сохранить стабильность покрытия. Чтобы решить эти проблемы, мы меняли давление, оказываемое на металлический штамп, и в итоге нашли наиболее подходящие параметры».
Самораскрывающийся куб
Исследователи создали из бумаги с металлическим покрытием кубик оригами, края которого должны были прилипать друг к другу без какого-либо другого связующего вещества. Они увидели, что после разворачивания этого куба бумага с покрытием может складываться обратно в свою первоначальную форму: из-за самоклеящегося металлического покрытия края, которые были развернуты, притягивались друг к другу, пока бумага снова не принимала форму куба. Другой формой, которую испытывали изобретатели, была пружина, которую можно было растягивать или сжимать, а после она принимала прежнее положение.
Использование жидкого металла
Бо Юань считает, что обнаружение самоклеящегося жидкого металла — это большой успех. По его словам, если это можно сделать с бумагой, то и из других материалов можно создать «умные» объекты. Теперь ученый планирует найти другое покрытие, от которого металл не будет отслаиваться после застывания.
Исследователь рассматривает возможность тестирования биологически безопасного лака для покрытия материалов, которые могут быть использованы следующим образом:
- в качестве упаковки : коробки будут открываться и закрываться сами по себе, как бумажный куб в эксперименте;
- на человеческой коже : бинты будут сниматься безболезненно;
- под водой ;
- на других планетах .
Космос и океан
Некоторые роботы уже могут исследовать глубины океана, где давление слишком велико для человека, а трещины и щели слишком малы для больших машин. Устройства разрабатываются с учетом возможности прокладки туннелей на Марсе и других космических телах. Самоклеящееся покрытие из жидкого металла поможет им самостоятельно складываться и раскладываться. Юань отмечает: «Используя наш метод, можно быстро создать «умные» материалы с хорошей тепло- и электропроводностью, а также способностью регулировать жесткость, что значительно расширяет возможности материалов. Я думаю, что этот метод может открыть новые возможности для исследования космоса».
Жидкий металл, или Как превратить любую поверхность в металлическую?
Казалось бы, довести латунь, медь или бронзу до текучего состояния можно лишь в доменной печи. Но разработчикам жидкого металла удалось добиться невозможного. В нашем распоряжении появился материал, который можно наносить, как краску, превращая любые твердые предметы в металлические. В буквальном смысле слова.
До недавней поры «металлизировать» поверхность можно было лишь при помощи красок. И нельзя сказать, что этот способ плох. Имитация меди, бронзы, стали и даже золота бывают столь достоверными, что даже придирчивый зритель не распознает подделку. У окрашивания есть только один недостаток — недолговечность. Насыщенное пигментом покрытие зачастую стирается от легкого прикосновения, и очень скоро его приходится в лучшем случае обновлять, а в худшем — переделывать.
Ситуация в корне изменилась, когда на рынке появился так называемый жидкий металл. Разумеется, это не ртуть, не термопаста и не пришедший из будущего терминатор Т-1000. Речь идет о декоративном покрытии, которое на 95% состоит из тончайшей металлической пыли. Остальные 5% приходятся на композитное связующее, которое обеспечивает отделочному слою удивительную прочность.
Да, жидкий металл куда более износостоек, чем самая прочная краска. Сила его сцепления с подложкой настолько велика, что поверхность можно не только шлифовать и полировать, но даже наносить на нее гравировку.
Справедливости ради стоит отметить, что покрытие является металлическим как в хорошем, так и в плохом смысле слова. Со временем поверхность может окислиться, покрыться патиной или попросту заржаветь, если оставить ее без соответствующего ухода. И если естественное старение не входит в планы декоратора, нужно воспользоваться обычными защитными лаками для металла.
Жидкий металл обладает всеми характеристиками литого изделия. Это касается не только цвета, блеска и текстуры, но также теплопроводности, магнитных свойств и проч.
При помощи жидкого металла можно отделать любую прочную твердую поверхность. Покрытие выпускается во множестве вариантов — медь, бронза, латунь, серебро, золото и т.д.
Декораторы быстро «распробовали» этот удивительный материал и уже довольно активно используют его в отделке интерьера, украшая стены, потолки, лепнину и мебель. Да и для наружных работ нет никаких противопоказаний, главное — не забывать про антикоррозийную защиту.
Но можно ли назвать жидкий металл материалом без недостатков? К сожалению, нет. Первый и основной минус — высокая цена. Так, за упаковку весом 1 кг, от зарубежного производителя, придется заплатить около 8000 руб. Впрочем, в последнее время на нашем рынке появились отечественные аналоги, которые стоят почти в два раза дешевле.
Также стоит отметить, что жидкий металл нельзя назвать безопасным и экологически чистым продуктом. После затвердевания он становится нейтральным, но сам процесс смешивания компонентов сопровождается довольно активной химической реакцией. И чтобы обезопасить себя, необходимо использовать защитные перчатки и респиратор. Впрочем, процесс отделки стоит рассмотреть подробно.
Технология нанесения
Как уже говорилось выше, жидким металлом можно покрыть любую твердую плотную поверхность. Но перед отделкой ее необходимо тщательно очистить от пыли, жира и других загрязнений, а потом воспользоваться грунтом. И если отделке подлежит гладкий предмет, от которого нужно добиться зеркального блеска, грунт желательно отшлифовать мелкой наждачной бумагой и еще раз тщательно обеспылить.
Если пренебречь подготовительной работой, жидкий металл будет ложиться неровно, образуя потеки. А это приведет к перерасходу недешевого материала
Следующий этап — приготовление отделочного состава. Очень важно смешивать компоненты в строжайшем соответствии с пропорциями, которые указаны производителем. Если нарушить их, жидкий металл затвердеет слишком быстро, или же не затвердеет совсем.
Если покрытие будет наноситься шпателем или кистью, достаточно смешать наполнитель и отвердитель. В результате образуется постепенно густеющая паста, которая может ложиться немного неровно. Следы мазков убирают уже после затвердевания жидкого металла при помощи нескольких 3-5 видов наждачной бумаги разной степени зернистости, двигаясь от крупной фракции абразива к мелкой.
Утомительной шлифовки можно избежать, если наносить металл краскопультом. Но в этом случае покрытие нужно развести, сделав максимально жидким и текучим. Для этого существует специальный разбавитель. Когда и в каких пропорциях нужно его добавлять, указано в инструкции производителя.
Жидкий металл наносят в несколько этапов, по технологии «мокрое по мокрому», то есть новый слой накладывают, не дожидаясь высыхания предыдущего
Толщина покрытия варьируется в среднем от 0,1 до 2 мм. После нанесения по той или иной технологии покрытие нужно оставить до полного затвердевания, которой составляет обычно 24 часа. И заключительный этап — полировка. Для этих целей можно использовать металлическую шерсть, мягкие абразивные губки, войлочные шлифовальные бруски и проч. А полировочные пасты для металла еще больше усилят благородный металлический блеск.
Жидкий металл: подводные камни. Взгляд глазами химика
Написать эту статью меня сподвиг пост NotSlow Не так страшен жидкий металл. Там все просто: подстраховался от замыкания, нанес тонким слоем, прикрутил и радуйся низким температурам. Но так ли все хорошо на самом деле?
Для начала нужно выяснить, что это за жидкий металл такой. Среди чистых металлов единственный, который может быть жидким при комнатной температуре — это ртуть. В здравом уме никто сейчас не станет применять ртуть в качестве термоинтерфейса из-за ее крайней токсичности и испаряемости. Два других становятся жидкими уже при температуре человеческого тела — это цезий и галлий. Цезий — это «фтор наоборот» по своей химической активности, он возгорается и взрывается от малейших следов воздуха и влаги и даже разрушает стекло. Остается галлий (на КПДВ именно он). При комнатной температуре галлий все же твердый, однако с некоторыми другими легкоплавкими металлами он образует эвтектики, плавящиеся при 20,5°С (галлий-олово) и даже 15,3 °С (галлий-индий). Еще ниже — в районе 5 °С — плавится тройная эвтектика галлий-индий-олово (62, 25 и 13% соответственно). Имеющиеся в продаже термоинтерфейсы типа «жидкий металл» — это как раз и есть сплавы на основе этих трех элементов, возможно с некоторыми дополнительными присадками.
Исходя из этого, ясны и подводные камни. Первый из них — это абсолютная несовместимость галлийсодержащих сплавов с алюминием!
Во времена, когда уроки химии в школе непременно сопровождались демонстрацией опытов, был среди них и опыт по амальгамированию алюминия. Алюминий покрывали слоем ртути и он тотчас начинал бурно окисляться, рассыпаясь прямо на глазах. Ртуть защищала алюминий от образования оксидного слоя и он образовывался уже на поверхности амальгамы, но не был способен остановить окисление, так как на поверхности жидкости он не удерживался сплошным слоем, растрескивался, и в трещинах открывалась свежая, неокисленная поверхность амальгамы.
Ровно так же действует и галлиевый сплав с той только разницей, что он способен буквально пропитывать алюминий насквозь, проникая в межкристаллитные промежутки. Алюминий, пропитанный жидким галлием, не только окисляется на глазах, но еще и крошится в руках.
Так что ЖМ следует держать от алюминия подальше. И это касается не только алюминиевых радиаторов: случайная капелька «жидкого металла» может уничтожить и корпус ноутбука, если тот из алюминиевого сплава, и любую другую алюминиевую деталь. Хотя бы корпус какого-нибудь конденсатора. Причем капелька эта является классическим катализатором — делает свое черное дело, не расходуясь сама.
Но и медь к галлию небезразлична. На рисунке выше я привел T-x диаграмму системы медь-галлий (из справочника «Диаграммы состояния двойных металлических систем» под ред. Лякишева), на которой видно бесчисленное множество интерметаллических соединений. Как только галлий вступит в контакт с медью, они тут же начинают образовываться. Жидкий галлий (к его сплавам это тоже относится) вообще очень охотно смачивает и металлы, и неметаллы, а явное химическое сродство этому крайне способствует. Так что «жидкий металл» будет просто впитываться в медь, образуя на границе между металлами корку интерметаллидов. Последние не являются металлами с физической точки зрения, они тугоплавки, хрупки и обладают плохой тепло- и электропроводностью, но главное — «жидкий металл» будет расходоваться на их образование и просто уйдет из зазора. Многие из тех, кто пробовал в деле ЖМ, сообщают, что со временем он перестает работать, и сняв радиатор, они обнаружили, что жидкий металл «испарился». Испариться он не мог — заметное давление пара у его компонентов появляется только свыше тысячи градусов — он просто впитался в медь, прореагировал с ней. Устранить это явление помогает никелевое покрытие на меди, хоть оно и является дополнительным препятствием для тепла.
Кстати, впитываемость галлия и его сплавов в металлы еще касается паяных соединений — помните про ту маленькую капельку, которая может разрушить алюминиевый корпус? Так вот, такая же капелька, попавшая на припой, сделает и его хрупкой, а пайку ненадежной. В какой-то момент это «сработает». Поэтому лично я бы держал «жидкий металл» как можно дальше от любой электроники.
И последнее, о чем следовало бы написать: «жидкий металл», увы, небезвреден. Галлий по некоторым данным сравним по токсичности с мышьяком, второй его компонент, индий — также является токсичным тяжелым металлом. В отличие от ртути сплавы на основе галлия все же абсолютно нелетучи при обычной температуре, так что отравиться их парами не получится, однако из-за своей способности легко прилипать ко всему на свете эти сплавы невероятно мазучие. Испачкать ими, к примеру, руки — легче легкого, а отмыть их до конца очень сложно. Потом это все попадет в рот. Поэтому — работаем с «жидким металлом» и всем, что с ним контактировало только в резиновых перчатках и отдельно от еды, питья и курения. И да, никогда не делайте так, как на КПДВ!
Жидкий металл в качестве термоинтерфейса, все за и против
В последнее время все большую популярность приобретает применение в компьютерной технике в качестве термоинтерфейса жидкого металла.
реклама
Но давайте разберемся, все ли так хорошо, как нас убеждает производитель этого «волшебного зелья» и его фанаты.
Да! Несомненно у жидкого металла есть большой плюс, это его теплопроводность, она выше, чем у хорошей термопасты в 7-10 раз. И на практике применение жидкого металла позволяет в некоторых случаях снизить температуру чипа до 20%.
реклама
Для наглядности показатели теплопроводности для термопаст и жидкого металла привел в таблице.
Но на этом все. Дальше одно разочарование. Все по порядку.
Жидкий металл состоит (является сплавом) из трех основных элементов: галлий-индий-олово (62, 25 и 13% соответственно), с некоторыми небольшими дополнительными присадками в зависимости от «волшебных рецептов» разных производителей с температурой плавления в районе 5 °С.
реклама
Взаимодействие с алюминием даже не будем рассматривать, так как сам производитель категорически запрещает применять жидкий металл на алюминиевых поверхностях, к слову алюминий при взаимодействии с жидким металлом разрушается прямо на глазах. А рассмотрим взаимодействие с медью, с которым производитель как раз и рекомендует использовать жидкий металл, и поверхностью кристаллов чипов.
Для начала взглянем на поверхность медного радиатора после его интенсивного использования с жидким металлом в течении полугода.
Жидкий металл перешел в твердое состояние, снятие его было произведено с усилием, так как он «прикипел» к поверхности кристалла.
реклама
Так что же произошло с жидким металлом?
Химики на этот вопрос отвечают, что жидкий металл в процессе диффузии будет впитываться в медь, образуя на границе между металлами корку интерметаллидов. Последние не являются металлами с физической точки зрения, они тугоплавки, хрупки и обладают плохой тепло — и электропроводностью, но главное — жидкий металл будет расходоваться на их образование и просто уйдет из зазора.
Все таки разрушающая химическая реакция с медью происходит, пусть и достаточно медленно, по причине которой значительно снижается теплопроводность этого термоинтерфейса и увеличиваются температуры чипов.
Химики так же говорят, что устранить подобное явление поможет никелирование меди, но не все медные радиаторы имеют никелированную поверхность.
Теперь разберемся как влияет жидкий металл на поверхность кристаллов чипов. На фото представлено фото поверхности кристалла процессора, который несколько лет эксплуатировался с жидким металлом.
Как видно и здесь происходят химические реакции, которые постепенно разрушают поверхность кристалла чипа.
Кстати разрушающее воздействие жидкого металла касается еще и паяных соединений, вступив в контакт с припоем, он сделает его хрупким, а пайку ненадежной, и в какой-то момент это сработает.
Представьте такую ситуацию: вы в ноутбуке заменили термоинтерфейс на жидкий металл, выдавили его немного больше, чем нужно было. При установке системы охлаждения излишек выдавился из-под процессора, или графического чипа, и волшебная капелька зависла в ожидании какого ни будь резкого толчка или небольшого падения (с высоты 2 см.) вашего ноутбука. А такие случаи имели место быть. И здесь начинается путешествие это волшебной капли по вашему ноутбуку. И что случится раньше? Замкнет SMD компоненты на подложке процессора, замкнет, какие-либо другие компоненты, или же просто прилипнет к какому-нибудь месту пайки и через некоторое время разрушит ее.
Поэтому лично я бы держал жидкий металл как можно дальше от любой электроники.