Gallium är ett mycket användbart element som har följt den mänskliga civilisationens framsteg under 1900 -talet. Gallium betecknas som ett tekniskt kritiskt element, eftersom det är viktigt för tillverkning av halvledare och transistorer. I synnerhet, galliumnitrid och relaterade föreningar som tillåter upptäckt av den blå lysdioden, som var den sista nyckeln i utvecklingen av ett energieffektivt och långvarigt vitt LED-belysningssystem. Denna upptäckt har lett till att Nobelpriset i fysik 2014 delades ut. Det uppskattas att upp till 98% av efterfrågan på gallium kommer från halvledar- och elektronikindustrin.

Förutom dess användning inom elektronik, de unika fysiska egenskaperna hos gallium har lett till dess användning i andra områden. Gallium i sig är en metall med en mycket låg smältpunkt och är en vätska vid strax över rumstemperatur (30 ° C). Också, gallium kan bilda flera eutektiska system (legeringar som har en lägre smältpunkt än någon av dess beståndsdelar, inklusive gallium) med ett antal andra metaller. Både rent gallium och dessa galliumbaserade flytande metalllegeringar har hög ytspänning och anses vara "icke-spridbara" på de flesta ytor. Detta gör dem svåra att hantera, form, eller bearbeta, vilket begränsar deras potential för verklig tillämpning. Dock, en ny upptäckt kan ha låst upp möjligheten för en bredare användning av gallium inom funktionella material.

Ett forskargrupp vid Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) inom Institute for Basic Science (IBS) i Ulsan, Sydkorea och Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har uppfunnit en ny metod för att införliva fyllmedelspartiklar i flytande gallium för att skapa funktionella kompositer av flytande metall. Införandet av fyllmedel omvandlar materialet från flytande tillstånd till antingen en pasta- eller kittliknande form (med konsistens och "känsla" som den kommersiella produkten "Plasticine") beroende på mängden tillsatta partiklar. I det fall grafenoxid (G-O) användes som fyllmedel, G-O-innehåll på 1,6 ~ 1,8% resulterade i en pastaliknande form, medan 3,6% var optimalt för spackelbildning. En mängd nya galliumkompositer och mekanismen för deras bildning beskrivs i en nyligen publicerad artikel i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Blandning av partiklar inuti den galliumbaserade flytande metallen förändrar materialets fysikaliska egenskaper, vilket möjliggör mycket enklare hantering. Författaren Chunhui Wang konstaterar:"Möjligheten för flytande galliumkompositer att bilda pastor eller kitt är mycket fördelaktig. Det tar bort de flesta problemen med hantering av gallium för applikationer. Det fläckar inte längre ytor, den kan beläggas eller "målas" på nästan vilken yta som helst, den kan formas i en mängd olika former. Detta öppnar upp en mängd olika applikationer för gallium som inte setts tidigare. "Den möjliga tillämpningen av denna upptäckt inkluderar situationer där mjuk och flexibel elektronik krävs, till exempel i bärbara apparater och medicinska implantat. Studien visade till och med att kompositen kan formas till ett poröst skumliknande material med extrem värmebeständighet, med förmågan att motstå en blåslampa i en minut utan att skada sig.

I den här studien, laget kunde identifiera de faktorer som gör att fyllmedlen framgångsrikt kan blandas med flytande gallium. Motsvarande författare Benjamin Cunning beskrev förutsättningarna:"Flytande gallium utvecklar en oxid" hud "när den utsätts för luft, och detta är avgörande för blandning. Denna hud täcker fyllmedelspartikeln och stabiliserar den inuti gallium, men denna hud är spänstig. Vi lärde oss att partiklar av tillräckligt stor storlek måste användas annars kan blandning inte ske och en komposit kan inte bildas. "

Forskarna använde fyra material som fyllmedel i sin studie:grafenoxid, kiselkarbid, diamant och grafit. Bland dessa, två av dem visade särskilt utmärkta egenskaper när de införlivades i flytande gallium:reducerad grafenoxid (rG-O) för elektromagnetisk störning (EMI) -skärmning och diamantpartiklar för termiska gränssnittsmaterial. En 13 mikron tjock beläggning av Ga/rG-O-komposit på en reducerad grafenoxidfilm kunde förbättra filmens skärmningseffektivitet från 20 dB upp till 75 dB, vilket är tillräckligt för både kommersiella (> 30 dB) och militär (> 60 dB) applikationer. Dock, den mest anmärkningsvärda egenskapen hos kompositmaterialet var dess förmåga att tillhandahålla EMI -skärmegenskaper till vanliga vanliga material. Forskarna visade att en liknande 20-mikron tjock beläggning av Ga/rG-O applicerad på ett enkelt pappersark gav en skärmningseffektivitet på över 70 dB.

Kanske mest spännande var den termiska prestandan när diamantpartiklar införlivades i materialet. CMCM-teamet mätte värmeledningsförmågan i samarbete med UNIST-forskarna Dr Shalik Joshi och prof. KIM Gun-ho, och de verkliga applikationsexperimenten utfördes av LEE Seunghwan och prof. LEE Jaeson. Värmeledningsexperimentet visade att den diamantinnehållande kompositen hade termisk konduktivitet i bulk upp till ~ 110 W m-1 K-1, med större fyllmedelspartiklar som ger större värmeledningsförmåga. Detta överskred värmeledningsförmågan hos den kommersiellt tillgängliga termiska pastan (79 W m-1 K-1) med mer än 50%.

Applikationsförsöket bevisade vidare gallium-diamantblandningens effektivitet som ett termiskt gränssnittsmaterial (TIM) mellan en värmekälla och ett kylfläns. Intressant, kompositen med mindre diamantpartiklar visade överlägsen verklig kylningskapacitet trots att den hade lägre värmeledningsförmåga. Anledningen till denna avvikelse beror på att de större diamantpartiklarna är mer benägna att sticka ut genom galliummassan och skapa luftgap vid gränssnittet mellan kylflänsen eller värmekällan och TIM, minska dess effektivitet. (Ruoff noterar att det finns några troliga sätt att lösa detta problem i framtiden.)

Slutligen, gruppen har till och med skapat och testat en komposit gjord av en blandning av galliummetall och kommersiellt silikonspackel - mer känd som "Silly Putty" (Crayola LLC). Denna sista typ av galliuminnehållande komposit bildas av en helt annan mekanism, vilket innebär att små droppar gallium sprids genom Silly Putty. Även om det inte har den imponerande EMI-skärmningsförmågan hos ovannämnda Ga/rG-O (materialet kräver 2 mm beläggning för att uppnå samma 70 dB skärmningseffektivitet), det kompenseras med överlägsna mekaniska egenskaper. Eftersom denna komposit använder silikonpolymer snarare än galliummetall som basmaterial, det är töjbart förutom att det är formbart.

Professor Rod Ruoff, chef för CMCM, tänkt på tanken att blanda sådana kolfyllmedel med flytande metaller. Han säger, "Vi lämnade in detta arbete först i september 2019, och det har genomgått några iterationer sedan dess. Vi har upptäckt att en mängd olika partiklar kan införlivas i flytande gallium och har gett en grundläggande förståelse för hur partikelstorlek spelar en roll för framgångsrik blandning. Vi fann att detta beteende sträcker sig till galliumlegeringar som är vätskor vid temperaturer under rumstemperatur, såsom indium-gallium, tenn-gallium, och indium-tenn-gallium. Våra UNIST -samarbetspartners förmågor har visat enastående applikationer för dessa kompositer, och vi hoppas att vårt arbete inspirerar andra att upptäcka nya funktionella fyllmedel med spännande applikationer. "