Dieses flüssige Metall könnte weiche Elektronik verwandeln | Innovation




Das Metall Gallium wird bei etwas über Raumtemperatur flüssig, eine seiner vielen bemerkenswerten Eigenschaften, die Forscher untersuchen.
Feature China/Future Publishing über Getty Images

Jedes Mal, wenn Sie sich mit Ihrem Telefon in der Gesäßtasche hinsetzen, werden Sie an eine grundlegende Wahrheit erinnert: Der menschliche Körper ist weich und flexibel. Elektronik nicht.

Aber bald könnte es Geräte geben, die sich dehnen, biegen und sogar selbst reparieren können, wenn sie beschädigt sind. Durch die Nutzung der ungewöhnlichen Eigenschaften eines flüssigen Metalls namens Gallium zielen Materialwissenschaftler darauf ab, eine neue Generation flexibler Geräte für Virtual-Reality-Schnittstellen, medizinische Monitore, Bewegungssensorgeräte und mehr zu schaffen.

Das Ziel ist es, die Funktionalität der Elektronik zu nehmen und sie weicher zu machen, sagt Michael Dickey, Chemieingenieur an der North Carolina State University. „Ich meine, der Körper und andere natürliche Systeme haben herausgefunden, wie es geht. Wir können es also sicher schaffen.“

Biegbare Elektronik kann auch mit herkömmlichen Metallen hergestellt werden. Aber festes Metall kann ermüden und brechen, und je mehr einem weichen Material hinzugefügt wird, desto unflexibler wird das Material. Flüssigmetalle haben dieses Problem nicht, sagt Dickey – sie können mit wenig oder gar keinem Schaden gebogen, gedehnt und verdreht werden.

Flexibilität erweist sich als nur eine der nützlichen Eigenschaften von Gallium. Da es sich um ein Metall handelt, leitet es Wärme und Strom leicht. Im Gegensatz zu dem bekannteren flüssigen Quecksilber hat es eine geringe Toxizität und einen niedrigen Dampfdruck, sodass es nicht leicht verdampft.

Gallium fließt ungefähr so ​​leicht wie Wasser. Aber an Luft bildet es auch schnell eine steife äußere Oxidschicht, wodurch es leicht zu halbfesten Formen geformt werden kann. Die 10-fache Oberflächenspannung von Wasser lässt sich sogar variieren, indem man das flüssige Metall in Salzwasser taucht und eine Spannung anlegt.

„Ich bin voreingenommen, also nimm das für das, was es wert ist. Aber ich denke, dies ist eines der interessantesten Materialien im Periodensystem, weil es so viele einzigartige Eigenschaften hat“, sagt Dickey, Co-Autor von an Überblick über Gallium im Jahr 2021 Jahresrückblick der Materialforschung.

Dieses flüssige Metall könnte weiche Elektronik verwandeln

Gallium hat viele potenzielle Anwendungen in der Materialwissenschaft. (1) Die Reaktivität seiner Oberfläche macht es nützlich für die Durchführung chemischer Reaktionen; (2) Seine Fähigkeit zur Selbstheilung und sein flüssiger Zustand könnten zur Erzeugung oder Speicherung von Energie genutzt werden; (3) Es kann leicht in verschiedene Formen für Schaltkreise, Optiken und mehr umkonfiguriert werden; (4) Sein flüssiger Zustand kann akustische und fluidische Verwendungen haben; (5) Es funktioniert gut für tragbare, biegbare Elektronik; und (6) es könnte verwendet werden, um „taktile Logik“-Geräte zu schaffen, die auf Umweltreize wie Berührungen reagieren.

Das Interesse an Gallium war in der Vergangenheit zurückhaltend, teils wegen der unfairen Assoziation mit giftigem Quecksilber, teils weil seine Neigung zur Bildung einer Oxidschicht als negativ angesehen wurde. Aber mit zunehmendem Interesse an flexibler und insbesondere tragbarer Elektronik schenken viele Forscher neue Aufmerksamkeit.

Um biegbare Schaltkreise mit Gallium herzustellen, formen Wissenschaftler es zu dünnen Drähten, die zwischen Gummi- oder Kunststoffplatten eingebettet sind. Diese Drähte können winzige elektronische Geräte wie Computerchips, Kondensatoren und Antennen verbinden. Der Prozess schafft ein Gerät, das sich um einen Arm wickeln und daran gewöhnen könnte Verfolgen Sie die Bewegung, Geschwindigkeit oder Vitalfunktionen eines Athletensagt zum Beispiel Carmel Majidi, Maschinenbauingenieurin an der Carnegie Mellon University.

Diese Flüssigmetalldrähte und -schaltkreise können erheblichem Biegen oder Verdrehen standhalten. Als Demonstration stellte Dickey Ohrstöpseldrähte her, die sich bis zum Achtfachen ihrer ursprünglichen Länge dehnen können, ohne zu brechen. Andere Schaltkreise können sich selbst heilen, wenn sie zerrissen werden – wenn die Kanten aneinander liegen, fließt das flüssige Metall wieder zusammen.

Gallium-Schaltungen können auch gedruckt und wie ein temporäres Tattoo direkt auf die Haut aufgetragen werden. Die „Tinte“ funktioniert wie eine herkömmliche Elektrode, die zur Überwachung der Herz- oder Gehirnaktivität verwendet wird, sagt Majidi, der einen solchen Schaltkreis hergestellt hat Drucken des Metalls auf ein flexibles Material. Die Tattoos sind flexibler und langlebiger als bestehende Elektroden, was sie für eine langfristige Verwendung vielversprechend macht.

Die formwandelnde Eigenschaft des flüssigen Metalls eröffnet weitere Anwendungsmöglichkeiten. Wenn das Metall gequetscht, gedehnt und verdreht wird, ändert sich seine Form und durch die Änderung der Geometrie ändert sich auch sein elektrischer Widerstand. Wenn also ein kleiner Strom durch ein Geflecht aus Galliumdrähten geleitet wird, können die Forscher messen, wie das Material verdreht, gedehnt und angedrückt wird.

Dieses Prinzip könnte angewendet werden, um bewegungsempfindliche Handschuhe für die virtuelle Realität herzustellen: Wenn ein Netz aus Galliumdrähten in einen dünnen, weichen Film auf der Innenseite des Handschuhs eingebettet wäre, könnte ein Computer die Widerstandsänderungen erkennen, wenn der Träger seine Hand bewegt .

„Sie können es verwenden, um die Bewegung Ihres eigenen Körpers oder die Kräfte, mit denen Sie in Kontakt sind, zu verfolgen und diese Informationen dann in die virtuelle Welt zu übertragen, die Sie gerade erleben“, sagt Majidi.

Diese Eigenschaft erhöht sogar die Möglichkeit von Maschinen, die mit dem arbeiten, was Dickey „weiche Logik“ nennt. Anstatt Berechnungen zu erfordern, haben Maschinen, die weiche Logik verwenden, einfache Reaktionen, die direkt auf Änderungen des elektrischen Widerstands im gesamten Netz basieren. Sie können so gestaltet werden, dass das Drücken, Ziehen oder Biegen verschiedener Teile des Gitters unterschiedliche Reaktionen auslöst. Als Demonstration hat Dickey ein Gerät entwickelt, das Motoren oder Lichter ein- und ausschalten kann, ganz abhängig davon, wo das Material gepresst wird.

„Hier gibt es keine Halbleiter. Es gibt keine Transistoren, es gibt kein Gehirn, es basiert nur darauf, wie das Material berührt wird“, sagt Dickey.

Eine taktilbasierte Low-Level-Logik wie diese könnte zum Erstellen verwendet werden Reaktionsfähigkeit in Gerätenvergleichbar mit dem Einbau von Reflexen in weiche Roboter – solche Reaktionen erfordern kein komplexes „Gehirn“, um Informationen zu verarbeiten, sondern können direkt auf Umweltreize reagieren, Farbe oder thermische Eigenschaften ändern oder Elektrizität umleiten.

Und diese äußere Oxidschicht, die sich bildet, wenn Gallium Luft ausgesetzt wird, wird jetzt ausgenutzt. Die Oxidschicht sorgt dafür, dass das Metall seine Form behält, und eröffnet alle möglichen Möglichkeiten für Musterung und Herstellung. Winzige Galliumtröpfchen lassen sich hoch übereinander stapeln. Ein Tropfen Gallium kann über eine Oberfläche gezogen werden und hinterlässt eine dünne Oxidspur, die als Schaltkreis verwendet werden kann.

Darüber hinaus kann die Oxidschicht in Wasser durch Anlegen einer winzigen Spannung zum Bilden und Verschwinden gebracht werden, wodurch sich die Perlen bilden und sofort zusammenfallen. Durch Hin- und Herschalten kann Dickey die Perlen dazu bringen, ein Gewicht auf und ab zu bewegen. Mit Verfeinerung könnte diese Eigenschaft die Grundlage für künstliche Muskeln für Roboter bilden, sagt er.

Dickey gibt zu, dass sich die Technologie noch in einem frühen Stadium befindet und dass die bisherige Arbeit lediglich Hinweise darauf gibt, wie sie kommerzialisiert werden könnte. Aber Gallium hat so viele interessante Eigenschaften, dass es in der weichen Elektronik und Robotik nützlich sein wird, sagt er.

Er vergleicht das Feld mit den Anfängen der Informatik. Obwohl die frühesten experimentellen Computer, die mit Vakuumröhren und mechanischen Schaltern hergestellt wurden, nach heutigen Maßstäben grob sind, begründeten sie Prinzipien, die die moderne Elektronik hervorbrachten.

Majidi sagt, er erwartet auch, dass Flüssigmetall in naher Zukunft kommerziell genutzt wird.

„In den nächsten Jahren werden Sie mehr und mehr von diesem Übergang von Flüssigmetalltechnologien in der Industrie und auf dem Markt sehen“, sagt er. „Es ist im Moment nicht wirklich ein technischer Engpass. Es geht darum, kommerzielle Anwendungen und Verwendungen von Flüssigmetall zu finden, die tatsächlich einen Unterschied machen.“

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