Design kan bremse overophedning, øge ydeevnen af ​​blød elektronik

For nogle kan blot omtalen af ​​flydende metal fremmane visioner om T-1000:den formskiftende, næsten uovervindelige skurk, der skruer op for menneskehedens fremtidige frelser i "Terminator 2".

Men for University of Nebraska–Lincolns Eric Markvicka og kollegaer dukker smådråber af tingene op som en hovedperson i jagten på at sprede varme – og forhindre overophedning – i bærbar teknologi, blød robotteknologi og andre mikroelektroniske applikationer.

"Efterhånden som computerkraften stiger, bliver termisk spredning en stadig vigtigere faktor," sagde Markvicka, assisterende professor i mekanik og materialeteknik.

Hjælper du ikke? Det faktum, at mange bærbare enheder og andre smarte teknologier inkorporerer formbare, elastiske materialer, der reducerer vægten og øger komforten, men som også fanger varmen. For at løse problemet har Markvicka og andre ingeniører forsøgt at fylde isoleringsmaterialerne med flydende metaldråber, der naturligt leder varme og som følge heraf kan føre den væk fra den mikroelektronik, der genererer den.

Tilgangen har virket til et vist punkt. Men på det tidspunkt kom en nøgtern erkendelse:Selvom flydende metaldråber forbedrer den termiske ledningsevne, kan deres tæthed – og det antal, der skal til for virkelig at forbedre ledningsevnen – også tilføje en upraktisk mængde vægt.

Den tovtrækkeri mellem termisk ledningsevne og tæthed havde efterladt ingeniører noget af en stilstand. Men i en ny undersøgelse har Markvickas team vist, at indlejring af et silikonemateriale med galliumbaserede dråber - og, afgørende, indlejring af disse dråber med mikroskopiske kugler af hult glas - for det meste kan bevare boostet i varmeafledning uden at ofre materialets lette bøjelighed.

"Det er stadig blødt og gummiagtigt, men har en termisk ledningsevne, der nærmer sig (den af) nogle stive metaller, som titanium eller rustfrit stål, med cirka halvdelen af ​​densiteten af ​​disse metaller," sagde Markvicka. "Denne kombination af egenskaber gør materialet unikt og interessant."

Mens de eksperimenterede med glasmikrosfærerne, testede forskerne versioner af silikonen, hvis flydende metaldråber rummede varierende volumener af det hule glas, fra 0 % op til 50 %. Den 50 % stigning i volumen førte til et fald på 35 % i materialets samlede densitet og blot et fald på 14 % i termisk ledningsevne, hvoraf sidstnævnte allerede startede fra en højere baseline end i silikone, der mangler det flydende metal.

Den præstation var i sig selv nok til at få ingeniørerne til at fejre. Markvicka, doktorgradsrådgiver Ethan Krings og deres kolleger var dog ikke færdige. Ved hjælp af tidligere modelleringsarbejde udviklede Nebraska-teamet derefter, hvad Markvicka beskrev som et "konturkort" for at guide den fremtidige skræddersyet af bløde materialer, der er afhængige af holdets russiske rededukketilgang.

Under udviklingen af ​​kortet formaliserede holdet, hvad dets eksperimenter afslørede:at omhyggelig konstruktion kan opløse en polymers normalt sammenflettede egenskaber og give uovertruffen kommando over materialets ydeevne.

En akse på kortet tegner sig for volumenet af flydende metaldråber i et materiale; den anden akse kvantificerer volumenet af glasmikrokugler i dråberne. Ændring af volumen af ​​glasmikrokugler alene, viste kortet, kan ændre materialets tæthed, mens den termiske ledningsevne forbliver næsten fuldstændig uændret. Ændring af forholdet mellem både glas og flydende metal kan i mellemtiden ændre den termiske ledningsevne uden at påvirke tætheden.

"Så vi har været i stand til at vise, at vi nu uafhængigt kan kontrollere termisk ledningsevne og tæthed i disse kompositter, hvilket aldrig er blevet vist før," sagde Markvicka, hvis team detaljerede deres proof of concept i tidsskriftet Small.

Forskerne demonstrerede yderligere, at kontrol ved at fremstille flere silikoneversioner af universitetets Nebraska N. Hver version havde en anden densitet, hvilket fremgår af det faktum, at den tætteste sank til bunden af ​​en væskefyldt cylinder, den mindst tætte flød ved top, og en moderat tæt version svævede mellem de to. På trods af deres varierende tætheder afledte N's varme med nogenlunde samme hastighed, når elektricitet blev ført gennem et varmeelement implanteret i hver.

Markvicka ser utallige måder, hvorpå et blødt, men termisk ledende materiale kan gavne ny teknologi. For det første, sagde han, kunne det hjælpe med at afhjælpe begrænsninger på computerkraften i mikroelektronik, der er presset ind i bærbar teknologi, og udjævne vejen til hurtigere enheder med mere funktionalitet.

Ingeniører af større digital teknologi, herunder computere og spillekonsoller, kan også finde det nyttigt, når de fremstiller såkaldte grænsefladematerialer, der transporterer betydelige mængder varme fra f.eks. processorer til flydende kølemidler. PlayStation 5-konsollen bruger for eksempel allerede flydende metal til netop det formål.

Ud over det ligger de åbenlyse anvendelser i termoregulerende beklædningsgenstande, sagde Markvicka, som kan overvåge en bærers hudtemperatur og derefter tilføre eller fjerne varme i overensstemmelse hermed.

"Mange af de store værktøjsvirksomheder har disse opvarmede jakker og udstyr til at hjælpe arbejdere med at holde sig varme i kolde omgivelser," sagde han. "Dette materiale kunne fungere som en passiv varmespreder for at opnå mere ensartet opvarmning i hele en jakke og eliminere varme pletter uden at begrænse bærerens bevægelser.

"Alt, hvad den menneskelige krop interagerer med, kan der være anvendelser for dette materiale." + Udforsk yderligere

Vandretøjsstof har en kølende effekt, der kan gøre dit næste smartwatch mere behageligt