El galio es un elemento muy útil que ha acompañado el avance de la civilización humana a lo largo del siglo XX. El galio está designado como un elemento tecnológicamente crítico, ya que es esencial para la fabricación de semiconductores y transistores. En particular, el nitruro de galio y compuestos relacionados permitidospara el descubrimiento del LED azul, que fue la clave final en el desarrollo de un sistema de iluminación LED blanco de larga duración y de bajo consumo. Este descubrimiento ha llevado a la concesión del Premio Nobel de Física 2014. Se estima que hastaal 98% de la demanda de galio proviene de la industria de semiconductores y electrónica.
Además de su uso en electrónica, las propiedades físicas únicas del galio han llevado a su uso en otras áreas. El galio en sí es un metal con un punto de fusión muy bajo y es un líquido justo por encima de la temperatura ambiente 30 ° C.. Además, el galio es capaz de formar varios sistemas eutécticos aleaciones que tienen un punto de fusión más bajo que cualquiera de sus componentes, incluido el galio con varios otros metales. Tanto el galio puro como estas aleaciones de metales líquidos a base de galio tienen una alta tensión superficial yse consideran "no untables" en la mayoría de las superficies. Esto hace que sean difíciles de manipular, dar forma o procesar, lo que limita su potencial de aplicación en el mundo real. Sin embargo, un descubrimiento reciente puede haber abierto la posibilidad de un uso más amplio del galio en elcampo de materiales funcionales.
Un equipo de investigación del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional CMCM dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS en Ulsan, Corea del Sur y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan UNIST ha inventado un nuevo método para incorporar partículas de rellenoen galio líquido para crear compuestos funcionales de metal líquido. La incorporación de rellenos transforma el material de un estado líquido a una forma de pasta o masilla con consistencia y "tacto" similar al producto comercial "Plastilina" dependiendo dela cantidad de partículas añadidas. En el caso en que se utilizó óxido de grafeno GO como material de relleno, el contenido de GO de 1,6 ~ 1,8% resultó en una forma pastosa, mientras que el 3,6% fue óptimo para la formación de masilla. Una variedad de nuevoscompuestos de galio y el mecanismo de su formación se describe en un artículo reciente publicado en la revista avances científicos .
La mezcla de partículas dentro del metal líquido a base de galio altera las propiedades físicas del material, lo que permite un manejo mucho más fácil. El primer autor Chunhui Wang señala: "La capacidad de los compuestos de galio líquido para formar pastas o masillas es extremadamente beneficiosa.elimina la mayoría de los problemas de manipulación del galio para aplicaciones. Ya no mancha las superficies, se puede recubrir o "pintar" en casi cualquier superficie, se puede moldear en una variedad de formas. Esto abre una amplia variedad de aplicaciones paragalio nunca antes visto ". La aplicación potencial de este descubrimiento incluye situaciones en las que se requieren dispositivos electrónicos blandos y flexibles, como en dispositivos portátiles e implantes médicos. El estudio incluso mostró que el compuesto se puede moldear en un material poroso similar a una espuma con extremaresistencia al calor, con la capacidad de soportar un soplete durante 1 minuto sin sufrir ningún daño.
En este estudio, el equipo pudo identificar los factores que permitirían que los rellenos se mezclaran con éxito con el galio líquido. El coautor correspondiente, Benjamin Cunning, describió los requisitos previos: "El galio líquido desarrolla una 'piel' de óxido cuando se expone al aire,y esto es crucial para la mezcla. Esta capa recubre la partícula de relleno y la estabiliza dentro del galio, pero esta capa es resistente. Aprendimos que se deben usar partículas de un tamaño suficientemente grande, de lo contrario no se puede mezclar y no se puede formar un compuesto."
Los investigadores utilizaron cuatro materiales diferentes como rellenos en su estudio: óxido de grafeno, carburo de silicio, diamante y grafito. Entre estos, dos de ellos en particular mostraron excelentes propiedades cuando se incorporaron en galio líquido: óxido de grafeno reducido rG-Opara blindaje de interferencia electromagnética EMI y partículas de diamante para materiales de interfaz térmica. Un recubrimiento de 13 micrones de espesor de compuesto Ga / rG-O sobre una película de óxido de grafeno reducido pudo mejorar la eficiencia de blindaje de la película de 20 dB a 75 dB,que es suficiente para aplicaciones comerciales > 30 dB y militares > 60 dB. Sin embargo, la propiedad más notable del compuesto fue su capacidad para proporcionar propiedades de blindaje EMI a cualquier material común de uso diario. Los investigadores demostraron que un 20-La capa de espesor de un micrón de Ga / rG-O aplicada en una simple hoja de papel produjo una eficiencia de blindaje de más de 70 dB.
Quizás lo más emocionante fue el rendimiento térmico cuando se incorporaron partículas de diamante al material. El equipo de CMCM midió las conductividades térmicas en colaboración con los investigadores de UNIST, el Dr. Shalik Joshi y el Prof. KIM Gun-ho, y la aplicación del "mundo real"Los experimentos fueron llevados a cabo por LEE Seunghwan y el Prof. LEE Jaeson. El experimento de conductividad térmica mostró que el compuesto que contenía diamante tenía conductividades térmicas a granel de hasta ~ 110 W m-1 K-1, con partículas de relleno más grandes que producían mayor conductividad térmica.superó la conductividad térmica de la pasta térmica disponible comercialmente 79 W m-1 K-1 en más del 50%. El experimento de aplicación demostró aún más la eficacia de la mezcla de galio y diamante como material de interfaz térmica TIM entre una fuente de calor yUn disipador de calor. Curiosamente, el compuesto con partículas de diamante de menor tamaño mostró una capacidad de enfriamiento superior en el mundo real a pesar de tener una conductividad térmica más baja.La discrepancia se debe a que las partículas de diamante más grandes son más propensas a sobresalir a través del galio a granel y crear espacios de aire en la interfaz del disipador de calor o la fuente de calor y el TIM, lo que reduce su efectividad.Ruoff señala que existen algunas formas probables de resolver este problema en el futuro.
Por último, el grupo incluso ha creado y probado un compuesto elaborado a partir de una mezcla de metal galio y masilla de silicona comercial, más conocida como "Silly Putty" Crayola LLC. Este último tipo de compuesto que contiene galio está formado por unaUn mecanismo diferente, que involucra pequeñas gotas de galio que se dispersan por toda la Silly Putty. Si bien no tiene la impresionante capacidad de protección EMI del Ga / rG-O mencionado anteriormente el material requiere 2 mm de recubrimiento para lograr los mismos 70 dBeficiencia de protección, se compensa con propiedades mecánicas superiores. Dado que este compuesto utiliza polímero de silicona en lugar de galio metálico como material base, es estirable además de maleable.
El profesor Rod Ruoff, director de CMCM, que concibió la idea de mezclar tales cargas de carbón con metales líquidos, señala: "Presentamos este trabajo por primera vez en septiembre de 2019, y ha pasado por algunas iteraciones desde entonces. Hemos descubierto que unSe puede incorporar una amplia variedad de partículas al galio líquido y han proporcionado una comprensión fundamental de cómo el tamaño de partícula juega un papel en una mezcla exitosa. Encontramos que este comportamiento se extiende a las aleaciones de galio que son líquidos a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente, como indio-galio, estaño-galio e indio-estaño-galio. Las capacidades de nuestros colaboradores de UNIST han demostrado aplicaciones sobresalientes para estos compuestos, y esperamos que nuestro trabajo inspire a otros a descubrir nuevos rellenos funcionales con aplicaciones interesantes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Básicas . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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