Spartellignende kompositter af galliummetal med potentiale til anvendelse i virkeligheden

Gallium er et yderst nyttigt element, der har ledsaget udviklingen af ​​den menneskelige civilisation gennem det 20. århundrede. Gallium betegnes som et teknologisk kritisk element, da det er vigtigt for fremstillingen af ​​halvledere og transistorer. Især galliumnitrid og beslægtede forbindelser, der tillader opdagelse af den blå LED, som var den sidste nøgle i udviklingen af ​​et energieffektivt og langtidsholdbart hvidt LED-belysningssystem. Denne opdagelse har ført til tildelingen af ​​2014 Nobelprisen i fysik. Det anslås, at op til 98% af efterspørgslen efter gallium stammer fra halvleder- og elektronikindustrien.

Ud over dets anvendelse i elektronik, de unikke fysiske egenskaber ved gallium har ført til dets anvendelse på andre områder. Selve Gallium er et metal med et meget lavt smeltepunkt og er en væske ved lige over stuetemperatur (30 ° C). Også, gallium er i stand til at danne flere eutektiske systemer (legeringer, der har et lavere smeltepunkt end nogen af ​​dets bestanddele, inklusive gallium) med en række andre metaller. Både ren gallium og disse galliumbaserede flydende metallegeringer har høj overfladespænding og betragtes som "ikke-spredelige" på de fleste overflader. Dette gør dem svære at håndtere, form, eller proces, hvilket begrænser deres potentiale for virkelige anvendelser. Imidlertid, en nylig opdagelse har muligvis frigjort muligheden for bredere brug af gallium inden for funktionelle materialer.

Et forskerhold ved Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) inden for Institute for Basic Science (IBS) i Ulsan, Sydkorea og Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har opfundet en ny metode til at inkorporere fyldpartikler i flydende gallium for at skabe funktionelle kompositter af flydende metal. Indarbejdelse af fyldstoffer omdanner materialet fra flydende tilstand til enten en pasta- eller spartellignende form (med konsistens og "føling" ligner det kommercielle produkt "Plasticine") afhængigt af mængden af ​​tilsatte partikler. I det tilfælde, hvor grafenoxid (G-O) blev brugt som fyldstof, G-O-indhold på 1,6 ~ 1,8% resulterede i en pasta-lignende form, mens 3,6% var optimal til sparteldannelse. En række nye galliumkompositter og mekanismen for deres dannelse er beskrevet i en nylig artikel offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

Blanding af partikler inde i det galliumbaserede flydende metal ændrer materialets fysiske egenskaber, hvilket muliggør meget lettere håndtering. Første forfatter Chunhui Wang bemærker:"Muligheden for flydende galliumkompositter til at danne pastaer eller kit er yderst fordelagtig. Det fjerner de fleste spørgsmål om håndtering af gallium til applikationer. Det pletter ikke længere overflader, det kan coates eller "males" på næsten enhver overflade, det kan støbes i forskellige former. Dette åbner op for en lang række forskellige applikationer for gallium, der ikke er set før. "Den potentielle anvendelse af denne opdagelse inkluderer situationer, hvor blød og fleksibel elektronik er påkrævet, såsom i bærbare enheder og medicinske implantater. Undersøgelsen viste endda, at kompositten kan formes til et porøst skumlignende materiale med ekstrem varmebestandighed, med evnen til at modstå et blæselampe i et minut uden at påføre nogen skade.

I dette studie, holdet var i stand til at identificere de faktorer, der ville gøre det muligt for fyldstofferne at blande sig med flydende gallium. Medkorresponderende forfatter Benjamin Cunning beskrev forudsætningerne:"Flydende gallium udvikler et oxid" hud ", når det udsættes for luft, og dette er afgørende for blanding. Denne hud dækker fyldpartiklen og stabiliserer den inde i gallium, men denne hud er elastisk. Vi lærte, at partikler af en stor nok størrelse skal bruges, ellers kan blanding ikke forekomme, og der kan ikke dannes et komposit. "

Forskerne brugte fire materialer som fyldstoffer i deres undersøgelse:grafenoxid, siliciumcarbid, diamant og grafit. Imellem disse, to af dem viste især fremragende egenskaber, når de blev inkorporeret i flydende gallium:reduceret grafenoxid (rG-O) til elektromagnetisk interferens (EMI) afskærmning og diamantpartikler til termiske grænsefladematerialer. En 13 mikron tyk belægning af Ga/rG-O-komposit på en reduceret grafenoxidfilm kunne forbedre filmens afskærmningseffektivitet fra 20 dB op til 75 dB, hvilket er tilstrækkeligt til både kommercielle (> 30 dB) og militær (> 60 dB) applikationer. Imidlertid, den mest bemærkelsesværdige egenskab ved kompositten var dens evne til at levere EMI -afskærmningsejendom til ethvert almindeligt almindeligt materiale. Forskerne demonstrerede, at en lignende 20-mikron tyk belægning af Ga/rG-O påført på et enkelt ark papir gav en afskærmningseffektivitet på over 70 dB.

Måske mest spændende var den termiske ydeevne, når diamantpartikler blev inkorporeret i materialet. CMCM-teamet målte varmeledningsevnerne i samarbejde med UNIST-forskere Dr. Shalik Joshi og prof. KIM Gun-ho, og de virkelige applikationsforsøg blev udført af LEE Seunghwan og prof. LEE Jaeson. Termisk ledningsevneeksperiment viste, at den sammensatte diamant, der indeholdt diamanter, havde termisk ledningsevne på op til ~ 110 W m-1 K-1, med større fyldpartikler, der giver større varmeledningsevne. Dette oversteg varmekonduktiviteten for den kommercielt tilgængelige termiske pasta (79 W m-1 K-1) med mere end 50%.

Anvendelseseksperimentet viste yderligere, at gallium-diamantblandingen var effektiv som et termisk grænseflademateriale (TIM) mellem en varmekilde og en køleplade. Interessant nok, kompositten med mindre diamantpartikler viste overlegen kølekapacitet i virkeligheden på trods af lavere varmeledningsevne. Årsagen til denne uoverensstemmelse skyldes, at de større diamantpartikler er mere tilbøjelige til at stikke ud gennem galliummassen og skabe luftgab ved grænsefladen mellem kølelegemet eller varmekilden og TIM, reducere dens effektivitet. (Ruoff bemærker, at der er nogle sandsynlige måder at løse dette problem på i fremtiden.)

Endelig, gruppen har endda skabt og testet en komposit fremstillet af en blanding af galliummetal og kommerciel silikonkit - bedre kendt som "Silly Putty" (Crayola LLC). Denne sidste type gallium indeholdende komposit dannes af en helt anden mekanisme, hvilket indebærer, at små dråber gallium spredes i hele Silly Putty. Selvom det ikke har den imponerende EMI-afskærmningsevne for ovennævnte Ga/rG-O (materialet kræver 2 mm belægning for at opnå den samme 70 dB afskærmningseffektivitet), det kompenseres med overlegne mekaniske egenskaber. Da denne sammensætning bruger silikonepolymer frem for galliummetal som grundmateriale, det er strækbart udover at være formbart.

Professor Rod Ruoff, direktør for CMCM, opfattet tanken om at blande sådanne kulstoffyldstoffer med flydende metaller. Han siger, "Vi indsendte først dette arbejde i september 2019, og det har gennemgået et par iterationer siden da. Vi har opdaget, at en lang række partikler kan inkorporeres i flydende gallium og har givet en grundlæggende forståelse for, hvordan partikelstørrelse spiller en rolle i en vellykket blanding. Vi fandt ud af, at denne adfærd strækker sig til galliumlegeringer, der er væsker ved temperaturer under stuetemperatur, såsom indium-gallium, tin-gallium, og indium-tin-gallium. Vores UNIST -samarbejdspartneres muligheder har vist fremragende applikationer til disse kompositter, og vi håber, at vores arbejde inspirerer andre til at opdage nye funktionelle fyldstoffer med spændende applikationer. "