فلزات مایع | عضلات فلزی

مهندس شیمی مایکل دیکی  تحقیقاتی در مورد فلزات مایع انجام داد .او عنوان کرد که فلزات مایع مانند هر فلزی دیگری گرما و برق را هدایت می کنند .

فلزات مایع 

مهندس شیمی مایکل دیکی  تحقیقاتی در مورد فلزات مایع انجام داد .او عنوان کرد که فلزات مایع مانند هر فلزی دیگری گرما و برق را هدایت می کنند . فلزات مایع همچنین پتانسیل عظیمی به عنوان مسیر رسیدن به مواد جدید و کاتالیزورها دارند که می تواند واکنش های شیمیایی مفید را برای بسیاری از صنایع و کاربردها شروع کند. این فلزات حتی می توانند به دام انداختن و تبدیل دی اکسید کربن کمک کنند و فناوری دیگری را برای مقابله با تغییرات آب و هوا ارائه می دهند. مهندس مکانیک ، کارمل مجیدی ، عنوان کرد که توسعه فناوری  ، نگرانی در مورد نشت و غیرقابل اعتماد بودن فلزات  رامایع مانع شده است .

اگرچه  هزاران سال است که از جیوه  در پزشکی  و البته دماسنج استفاده شده است ، اما بیشتر تحقیقات در مورد فلزات مایع اکنون روی گالیوم متمرکز شده است که برخلاف جیوه ، غیر سمی است. گالیم نیز فقط در دمای 30 درجه سانتی گراد ذوب می شود. مخلوط کردن  گالیوم  با عناصر دیگر مانند قلع یا ایندیم باعث ایجاد آلیاژهای مفید گالیم با دمای ذوب حتی پایین تر می شود.

فلزات مایع نیز بسیار واکنش پذیر هستند و این امر خصوصاً برای مهندسان شیمی مفید است. آلیاژهای گالیم فشار بخار ناچیزی دارند ، بنابراین تبخیر نمی شوند و نمی توان آنها را استنشاق کرد و همچنین  بیشترین کششهای سطحی را در بین مایعات در دمای اتاق دارند که باعث می شوند به صورت کره در بیایند.

برای استفاده از فلز مایع برای الکترونیک نرم و انعطاف پذیر ، محققان باید شکل و حرکت مایع را کنترل کنند. به عنوان مثال ، در اوایل سال جاری ، یک تیم از چین نشان دادند  که با میدان های مغناطیسی می توانند یک قطعه فلز مایع از آلیاژ گالیم-ایندیم-قلع را کنترل کنند .

دیکی ، که در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی در رالی کار می کند ، در حال بهره برداری از یک خاصیت خاص برای کنترل این مواد است: یک پوست اکسید فلز مایع.

 مانند تمام فلزات ، فلزات مایع هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن اکسید می شوند که  باعث ایجاد پوست اکسید به ضخامت نانومتر در اطراف فضای مایع می شود. وی در ادامه گف این امکان را می دهد تا مایع را به طریقی دستکاری کنید که به طور معمول با یک مایع معمولی مانند آب امکان پذیر نیست. 

در آزمایشات دریافت که وقتی قطره ای از آلیاژ گالیوم ایندیم در یک محلول قلیایی قوی قرار می گیرد ، ایجاد ولتاژ باعث تشکیل پوست در اطراف قطره می شود. پوست با تبدیل شکل کروی قطره به الگوی فراکتال مانند دانه برف ، به عنوان یکی از موثرترین سورفاکتانت های جهان عمل می کند ( مواد شیمیایی که کشش سطح قطره را تغییر می دهند.)

دیکی  و همکارانش کاربردهای عملی تری را نیز نشان داده اند. با قرار دادن آلیاژهای گالیوم در پلاستیک انعطاف پذیر ، آنها یک آنتن تغییر شکل پذیر و تنظیم شده ایجاد کرده اند و با تشکیل لوله های نازک از فلز مایع که توسط پوست اکسید احاطه شده است ، سیم هایی ایجاد کرده اند که می توانند تا 10 برابر طول اصلی خود کشیده شوند. سیمها خود ترمیم می شوند: وقتی قطع می شوند ، به هم می پیوندند.

تیم دیکی با نانوذرات گالیم-ایندیم ( مایع در لایه های اکسید) بین ورق های لاستیکی ، یک صفحه مدار خمشی ایجاد کرده است. با فشار دادن روی تخته ، پوسته اکسید اطراف نانوذرات ظاهر می شود و باعث بیرون ریختن فلز مایع می شود که سیم هادی را تشکیل می دهد. با استفاده از قلم برای شکستن نانوذرات ، محققان می توانند مدار دستی را با دست ترسیم کنند.

وی اکنون در تلاش است مدارهایی را روی سلولهای عصبی چاپ کند که گامی به سمت الکترودهای بهتر که برای درمان اختلالات از جمله بیماری پارکینسون و وسواس اجباری در مغز کاشته شده است. الکترودهای فلزی مایع می توانند بهتر با شکل مغز مطابقت داشته و تماس قابل اعتماد تری ایجاد کنند. 

عضلات فلزی 

با فلزات مایع می توان به یک ربات نرم با حس لامسه اعطا کنند. اخیراً ، دیکی مدارهای فلز مایع را درون ماده سیلیکونی قابل انعطاف قرار داده است که با گرما تغییر رنگ می دهد. فشار دادن روی مواد باعث تغییر شکل سیم و تغییر مقاومت الکتریکی آن می شود. سپس جریان مواد را گرم کرده و رنگ آن را تغییر می دهد. فشار بیشتر می تواند بسته به نحوه طراحی مدار ، دوباره آن را تغییر دهد .علاوه بر سنسورها ، ربات های نرم به محرک و شاید حتی نوعی عضله مصنوعی نیز نیاز دارند. این مسئله مشکلی را به وجود می آورد: اکثر مواد قابل انعطاف پذیری ، لاستیکی ، گرما یا برق را هدایت نمی کنند.

مجیدی نشان داده است که افزودن قطرات بسیار کمی از فلزات مایع ، یک راه حل ارائه می دهد. با استفاده از مخلوط کن ، او با یک پلیمر انتخاب شده به صورت مایع ، در یک آلیاژ گالیم-ایندیوم ایجاد تلاطم می کند ، سپس آن را خنک می کند و تنظیم می شود ، و قطرات فلزی (مشابه نورون ها) ایجاد می کند که در یک ماده لاستیکی معلق هستند. فشار شدید بر روی لاستیک ، قطرات را پاره می کند ، بنابراین آنها در یک شبکه فلزی متراکم ادغام می شوند ، که اساساً از بافت عصبی تقلید می کند. مجیدی می گوید: "این مسیرها آنقدر متراکم هستند که تقریباً شبیه بافت عصبی هستند که کل مواد ناگهانی رسانا می شوند." شبکه فلزات مایع می تواند خود به خود در اطراف هر ترک یا سوراخ لاستیک اصلاح شود تا رسانایی را حفظ کند.

مجیدی اخیراً از این روش برای ساخت یک عضله مصنوعی از الاستومر کریستال مایع استفاده کرده است ، ماده ای لاستیکی که می تواند خود به خود تاب بخورد و شکل خود را حفظ کند اما با گرم شدن به شکل اولیه خود برمی گردد. با تزریق الاستومر با فلز مایع ، محققان می توانند با استفاده از الکتریسیته ، مواد را در صورت تقاضا شکل دهند.

همچنین رسانایی گرمایی فلزات مایع می تواند مفید باشد. با مخلوط کردن فلزات مایع به لاستیک ، مجیدی ماده اتلاف گرما تولید کرده است که می تواند به داخل گوشه ها و شکاف های الکترونیک و ماشین آلات فشرده شود تا آنها را خنک نگه دارد. برخلاف جامدات ، مایعات می توانند واکنش های زیر سطح را تسهیل کنند ، جایی که می توان از یک دریای یون و الکترون استفاده کرد.( خیلی بیشتر از یک محلول آبی استاندارد.)

محققان می توانند یک فلز مایع را برای تجزیه مولکولهای آلی یا ایجاد ترکیبات و فلزات جدید در دمای اتاق ، مهندسی کنند و این روند را ارزان و آسان کنند. به عنوان مثال ، هنگامی که محققان یک فلز را در یک فلز مایع اشباع کنند ، این دو واکنش نشان داده و به ماده جدید متبلور می شوند ، شبیه روش تبلور قند در شربت. کلانترزاده می گوید: "این اساساً الگوی جدیدی برای واکنش های شیمیایی صنعت مهندسی شیمی است."

سال گذشته ، او و همکارانش با افزودن آلومینیوم به آلیاژ گالیم-ایندیوم ، روش ارزان ساخت فیلتر آب را به نمایش گذاشتند. آلومینیوم به سطح بالا می رود ، در آنجا اکسید می شود و به یک ورق صاف اکسید آلومینیوم تبدیل می شود. این صفحه اکسید متخلخل است و به مولکول های آب اجازه عبور می دهد ، در حالی که هر یون محلول سرب یا سایر فلزات سنگین به اکسید جذب می شود.

این رویکرد حتی می تواند روشی با انرژی کم برای کاهش کربن اتمسفر و کمک به کاهش تغییرات آب و هوایی ارائه دهد. در اوایل سال جاری ، کلانتر زاده ، دیکی و دیگران جزئیات تکنیکی را منتشر کردند که از فناوری فلزات مایع برای تجزیه دی اکسید کربن استفاده می کند. آنها با افزودن سریم به آلیاژ مایع گالیم-ایندیوم ، آنها یک کاتالیزور ایجاد کردند که دی اکسید کربن را به محصولات کربن جامد تبدیل می کند که می تواند مورد استفاده قرار گیرد یا در آن ذخیره شود. کلانترزاده می گوید ، این فرآیند در دمای اتاق کار می کند و انرژی کمتری نسبت به هر روش فعلی نیاز دارد. برخی روش های دیگر نیز می توانند ارزان باشند ، اما نحوه ذخیره سازی دی اکسیدکربن می تواند غیر عملی و هزینه بر باشد.

محققان نشان داده اند که با ایجاد قطرات ریز کاتالیزور فلز مایع ، می توانند سطح موجود را افزایش دهند و از این فرآیند برای تبدیل کارآمد مقادیر بیشتری دی اکسید کربن استفاده کنند. در واقع ، این روش برای استفاده در دنیای واقعی مقیاس بندی می کند و مواد مفیدی را به عنوان محصولات جانبی از جمله اکسید گرافن که کاربردهای زیادی در الکترونیک دارد ، به دست می دهد.

کلام آخر

صرف نظر از کاربرد ، حداقل چند سال از ورود فن آوری فلزات مایع به بازار می گذرد و فقط موارد فنی برای حل آنها وجود ندارد. اگرچه تحقیقات اساسی در حال رونق است ، صنعت به طور کامل از فلزات مایع استقبال نکرده است و دیکی هنوز در تلاش است این خبر را منتشر کند که این مواد نه تنها جذاب هستند بلکه بالقوه مفید هستند.