En återgivning av flytande metalldroppar inbäddade i ett silikonmaterial (vänster) och mikroskopiska sfärer av ihåligt glas inneslutna i en droppe av den flytande metallen (höger). Kredit:Scott Schrage | Universitetskommunikation
För vissa kan bara omnämnandet av flytande metall frammana visioner av T-1000:den formskiftande, nästan oövervinnelige skurken som höjer värmen på mänsklighetens framtida räddare i "Terminator 2".
Men för University of Nebraska–Lincolns Eric Markvicka och kollegor framträder små droppar som en protagonist i strävan efter att skingra värme – och förhindra överhettning – i bärbar teknologi, mjuk robotik och andra mikroelektroniskt packade applikationer.
"I takt med att datorkraften ökar blir termisk avledning en allt viktigare faktor", säger Markvicka, biträdande professor i maskin- och materialteknik.
Hjälper du inte? Det faktum att många bärbara enheter och andra smarta teknologier innehåller formbara, elastiska material som minskar vikten och ökar komforten men som också fäller värme. För att lösa problemet har Markvicka och andra ingenjörer försökt ladda isoleringsmaterialen med flytande metalldroppar som naturligt leder värme och följaktligen kan föra bort den från mikroelektroniken som genererar den.
Tillvägagångssättet har fungerat, till en viss grad. Men vid den tidpunkten kom en nykter insikt:Även om flytande metalldroppar förbättrar värmeledningsförmågan, kan deras densitet – och det antal som behövs för att verkligen förbättra den konduktiviteten – också lägga till en opraktisk mängd vikt.
Den dragkampen mellan värmeledningsförmåga och densitet hade lämnat ingenjörer i något av ett stillastående. Men i en ny studie har Markvickas team visat att inbäddning av ett silikonmaterial med galliumbaserade droppar - och, avgörande, inbäddning av dessa droppar med mikroskopiska sfärer av ihåligt glas - kan för det mesta behålla uppsvinget i värmeavledning utan att offra materialets lätta böjlighet.
Biträdande professor Eric Markvicka (till vänster) och doktoranden Ethan Frings i Nebraska Hall. Kredit:Craig Chandler | Universitetskommunikation
"Den är fortfarande mjuk och gummiliknande men har en värmeledningsförmåga som närmar sig (den hos) vissa stela metaller, som titan eller rostfritt stål, med ungefär hälften av densiteten av dessa metaller," sa Markvicka. "Denna kombination av egenskaper gör materialet unikt och intressant."
Medan de experimenterade med glasmikrosfärerna testade forskarna versioner av silikonen vars flytande metalldroppar inhyste varierande volymer av det ihåliga glaset, från 0 % upp till 50 %. Volymökningen på 50 % ledde till en minskning med 35 % av materialets totala densitet och bara en minskning av värmeledningsförmågan med 14 %, varav den senare redan började från en högre baslinje än i silikon som saknar den flytande metallen.
Den prestationen i sig räckte för att få ingenjörerna att fira. Markvicka, doktorandråd Ethan Krings och deras kollegor var dock inte klara. Med hjälp av tidigare modelleringsarbete utvecklade Nebraska-teamet sedan vad Markvicka beskrev som en "konturkarta" för att vägleda framtida skräddarsydda mjuka material som förlitar sig på teamets ryska häckande docka.
Vid utvecklingen av kartan formaliserade teamet vad deras experiment avslöjade:att noggrann ingenjörskonst kan lösa de normalt sammanflätade egenskaperna hos en polymer, vilket ger oöverträffad kontroll över materialets prestanda.
En axel på kartan står för volymen av flytande metalldroppar i ett material; den andra axeln kvantifierar volymen av glasmikrosfärer i dropparna. Att modifiera volymen av glasmikrosfärer enbart, visade kartan, kan ändra materialets densitet samtidigt som värmeledningsförmågan lämnas nästan helt oförändrad. Modifiering av förhållandena mellan både glas och flytande metall kan under tiden ändra värmeledningsförmågan utan att densiteten påverkas.
"Så vi har kunnat visa att vi nu självständigt kan kontrollera värmeledningsförmåga och densitet i dessa kompositer, vilket aldrig har visats tidigare", säger Markvicka, vars team i detalj beskriver sitt proof of concept i tidskriften Small.
Linjer som indikerar de proportionella volymerna av flytande metall och glas som kommer att bibehålla en konstant värmeledningsförmåga (svart) och konstant densitet (vit) i mjuka kompositmaterial. Kredit:Small / John Wiley &Sons
Forskarna visade vidare att kontroll genom att tillverka flera silikonversioner av universitetets Nebraska N. Varje version hade olika densitet, vilket framgår av det faktum att den tätaste sjönk till botten av en vätskefylld cylinder, den minst täta flöt vid topp, och en måttligt tät version flöt mellan de två. Trots deras varierande densiteter avledde N:s värme i ungefär samma hastighet när elektricitet leddes genom ett värmeelement som implanterats i var och en.
Markvicka ser otaliga sätt som ett mjukt men värmeledande material kan gynna ny teknik. Till att börja med, sa han, kan det hjälpa till att lindra begränsningar av datorkraften hos mikroelektronik som är inklämd i bärbar teknologi, och jämna ut vägen till snabbare enheter med mer funktionalitet.
Ingenjörer av storskalig digital teknik, inklusive datorer och spelkonsoler, kan också tycka att det är användbart när de tillverkar så kallade gränssnittsmaterial som transporterar avsevärda mängder värme från till exempel processorer till flytande kylmedel. PlayStation 5-konsolen, till exempel, använder redan flytande metall för just det syftet.
Utöver det ligger de uppenbara tillämpningarna i värmereglerande plagg, sa Markvicka, som kan övervaka en bärares hudtemperatur och sedan tillföra eller ta bort värme i enlighet med detta.
"Många av de stora verktygsföretagen har dessa uppvärmda jackor och utrustning för att hjälpa arbetare att hålla sig varma i kalla miljöer," sa han. "Detta material skulle kunna fungera som en passiv värmespridare för att uppnå jämnare uppvärmning genom hela en jacka och eliminera hot spots, utan att begränsa bärarens rörelse."
"Allt som människokroppen interagerar med, det kan finnas tillämpningar för detta material." + Utforska vidare
