Галлий — очень полезный элемент, который сопровождал развитие человеческой цивилизации на протяжении 20 века. Галлий считается технологически важным элементом, так как он необходим для производства полупроводников и транзисторов. Примечательно, что нитрид галлия и родственные соединения позволили открыть синий светодиод, который стал последним ключом в разработке энергоэффективной и долговечной системы белого светодиодного освещения. Это открытие привело к присуждению Нобелевской премии по физике 2014 года. По оценкам, до 98% спроса на галлий приходится на полупроводниковую и электронную промышленность.
Помимо использования в электронике, уникальные физические свойства галлия привели к его использованию в других областях. Галлий сам по себе представляет собой металл с очень низкой температурой плавления и является жидкостью при температуре чуть выше комнатной (30 C). Кроме того, галлий способен образовывать несколько эвтектических систем (сплавов, которые имеют более низкую температуру плавления, чем любой из его компонентов, включая галлий) с рядом других металлов. И чистый галлий, и эти жидкие металлические сплавы на основе галлия имеют высокое поверхностное натяжение и считаются «не растекающимися» на большинстве поверхностей. Из-за этого с ними сложно работать, формировать или обрабатывать, что ограничивает их потенциал для реального применения. Однако недавнее открытие может дать возможность более широкого использования галлия в области функциональных материалов.
Группа исследователей из Центра многомерных углеродных материалов (CMCM) Института фундаментальных наук (IBS) в Ульсане, Южная Корея, и Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) изобрела новый метод включения частиц галлия в жидкость для создания функциональных композитов из жидкого металла. Введение наполнителей переводит материал из жидкого состояния в пастообразную или замазочную форму (с консистенцией и ощущением, подобным пластилину) в зависимости от количества добавленных частиц. В случае использования оксида графена (GO) в качестве наполнителя содержание GO 1,6 ~ 1,8% приводило к пастообразной, а 3,6% было оптимальным для образования более густой формы.
Смешивание частиц внутри жидкого металла на основе галлия изменяет физические свойства материала, что значительно упрощает обращение с ним. Первый автор Чунхуи Ван отмечает: «Способность жидких галлиевых композитов образовывать пасты или замазки чрезвычайно полезна. Это устраняет большинство проблем, связанных с обращением с галлием. Он больше не окрашивает поверхности, на него можно наносить покрытие или «рисовать» практически на любой поверхности, ему можно придать самые разные формы. Это открывает широкий спектр применений для галлия, которых раньше не было». Возможное применение этого открытия включает ситуации, когда требуется мягкая и гибкая электроника, например, в носимых устройствах и медицинских имплантатах. Исследование даже показало, что из композита можно сделать пористый пеноподобный материал с очень высокой термостойкостью».
В этом исследовании команда смогла определить факторы, которые позволят наполнителям успешно смешиваться с жидким галлием. Соавтор-корреспондент Бенджамин Каннинг описал предпосылки: «Жидкий галлий образует оксидную «пленку» при контакте с воздухом, и это имеет решающее значение для перемешивания. Эта оболочка покрывает частицу наполнителя и стабилизирует ее внутри галлия, но эта пленка эластична. Мы узнали, что необходимо использовать частицы достаточно большого размера, иначе смешивание не произойдет и композит не может быть сформирован».
В своем исследовании ученые использовали четыре различных материала в качестве наполнителей: оксид графена, карбид кремния, алмаз и графит. Среди них два из них, в частности, продемонстрировали превосходные свойства при включении в жидкий галлий: восстановленный оксид графена (rG-O) для защиты от электромагнитных помех (EMI) и частицы алмаза для материалов с термоинтерфейсом. Покрытие из композита Ga / rG-O толщиной 13 микрон на пленке из восстановленного оксида графена смогло повысить эффективность экранирования пленки с 20 дБ до 75 дБ, что достаточно как для коммерческого использования (> 30 дБ), так и для военного назначения (> 60 дБ). Однако самым замечательным свойством композита была его способность обеспечивать защиту от электромагнитных помех любому обычному материалу.
Возможно, наиболее захватывающими были тепловые характеристики, когда алмазные частицы были включены в материал. Команда CMCM измерила теплопроводность в сотрудничестве с исследователями UNIST доктором Шаликом Джоши и профессором КИМ Гун Хо, а практические прикладные эксперименты были проведены Ли Сынхван и профессором Ли Джейсоном. Эксперимент по теплопроводности показал, что алмазосодержащий композит имел объемную теплопроводность до ~ 110 Вт · м-1 · K-1, при этом более крупные частицы наполнителя обеспечивали большую теплопроводность. Это превышало теплопроводность коммерчески доступной термопасты (79 Вт / м · K-1) более чем на 50%. Эксперимент по применению дополнительно подтвердил эффективность галлий-алмазной смеси в качестве материала термической границы (ТИМ) между источником тепла и радиатором. Что интересно, композит с алмазными частицами меньшего размера показал превосходную охлаждающую способность в реальных условиях, несмотря на более низкую теплопроводность. Причина этого несоответствия заключается в том, что более крупные частицы алмаза более склонны выступать через объемный галлий и создавать воздушные зазоры на границе радиатора или источника тепла и TIM, снижая его эффективность.
Наконец, группа даже создала и протестировала композит, состоящий из смеси металлического галлия и коммерческой силиконовой замазки, более известной как «Silly Putty» (Crayola LLC). Этот последний тип галлийсодержащего композита образуется по совершенно другому механизму, который включает в себя мелкие капли галлия, рассеянные по всей поверхности Silly Putty. Хотя он не обладает впечатляющей способностью экранировать электромагнитные помехи вышеупомянутого Ga / rG-O (для достижения такой же эффективности экранирования 70 дБ материал требует 2 мм покрытия), он компенсируется превосходными механическими свойствами. Поскольку в этом композитном материале в качестве основного материала используется силиконовый полимер, а не металлический галлий, он поддается растяжению в дополнение к своей пластичности.
Профессор Род Руофф, директор CMCM, придумавший идею смешивания таких углеродных наполнителей с жидкими металлами, отмечает: «Мы впервые представили эту работу в сентябре 2019 года, и с тех пор она претерпела несколько итераций. Мы обнаружили, что большое разнообразие частиц могут быть включены в жидкий галлий и предоставили фундаментальное понимание того, как размер частиц играет роль в успешном смешивании. Мы обнаружили, что это поведение распространяется на сплавы галлия, которые являются жидкими при температурах ниже комнатной, например, индий-галлий, олово-галлий и индий-олово-галлий. Возможности наших сотрудников UNIST продемонстрировали выдающиеся возможности применения этих композитов, и мы надеемся, что наша работа вдохновит других на открытие новых функциональных наполнителей с захватывающим применением».
