Рідкий метал: структура, властивості

Сьогодні вже поколивалася звичне уявлення про те, що метал у звичайному стані – речовина тверда. Довгий час вважалося, що єдине виключення з цього твердження – ртуть, яка у рідкому стані залишається до -39° C. Відповідь на питання про те, який метал рідкий, не так однозначна.

Рідкі метали в природі

Насправді ртуть не є єдиним у світі рідким металом. Відомі ще галій, цезій і францій, які знаходяться в рідкому стані до +30° C. Галій дуже широко застосовується, наприклад, в електроніці. Крім того, що він плавиться при низьких температурах, галій, і це головне його гідність, закипає при температурі не нижче 2230° C. Надзвичайно широкий інтервал розплаву дає можливість використовувати цей елемент в роботі атомних реакторів. Не менш затребуваним елементом є цезій, незважаючи на те що його в земній корі дуже мало і видобуток його утруднена. А ось радіоактивний елемент францій, період напіврозпаду якого становить трохи більше 22 хвилин, утворюється при розпаді актинія, і досі невідомо, як він виглядає. Навіть вчені про нього знають дуже мало, і ці знання накопичуються по крупицях. Наукові лабораторії проводять дослідження цього елемента на зразках масою в одну десятимільйонну частку грама, яка кожні двадцять дві з невеликим хвилини зменшується вдвічі.




Тобто при температурах, трохи відрізняються від кімнатної, рідкими металами можна назвати чотири елемента періодичної таблиці Менделєєва, включаючи ртуть.

Будова металів

Атоми В металах розташовані в строгому геометричному порядку і утворюють кристалічну решітку. Їх види в різних металах і сплавах розрізняються в залежності від кількості і розташування атомів. У розплавлених металах атоми знаходяться в хаотичному русі, і зв'язку між ними порушуються. Звичайний рідкий розплавлений метал з мартена – це всього лише матеріал з кристалічною решіткою і звичайними властивостями твердого тіла при нормальній температурі. При охолодженні рідкого металу починається процес кристалізації, швидкість якого зростає з пониженням температури. Зв'язки між атомами відновлюються, і утворюється кристалічна решітка. Порушення цілісності металу, наприклад, утворення іржі, тріщин, відбувається саме на кордонах між кристалами. Тобто якщо не існує чітких меж між кристалами, змінюються не тільки механічні, але і електричні і магнітні властивості металу.

Властивості рідких металів

Вчені стверджують, що аморфні матеріали можуть бути міцніше кристалічних аналогів в десять разів, а їх електричний опір вище в п'ять разів. Причому при нормальній температурі вони здатні зберігати властивості більше ста років, але високу температуру переносять погано. Якщо рідкий метал з мартена охолодити настільки швидко, що зв'язку між атомами і кристалами не встигнуть відновитися, то вийде речовина в аморфному стані, що сполучає в собі властивості металів і рідин. Воно має поверхневим натягом і в'язкість рідин, а стискається і відображає електромагнітні хвилі, як всякий метал. Структура рідких металів – це хаотичне скупчення атомів без жорстких зв'язків між ними. Оскільки відсутня кристалічна структура, такі речовини володіють чудовими магнітними властивостями, високими показниками міцності на розтяг і ударної в'язкості. Рідкий метал міцніше титану більше ніж у два рази, що не іржавіє і може відливатися у форму, навіть найскладнішу, як будь-пластичний матеріал. При цьому після виливки додатково обробляти виріб не треба – у нього чіткі обриси і ідеально гладка поверхня.

Рідкі метали на основі галію

Сплави на основі легкоплавких металів, а їх у світовій промисловості використовується близько тридцяти, мають температуру плавлення не менше 70° С. Більшість з них хімічно активні і токсичні. Сплави на основі галію, які в різних пропорціях входять індій, олово і цинк, плавляться при низьких температурах, менше 40° З, і не є ані токсичними, ані хімічно активними. У промисловості використовується лише вісім, але варіацій може бути значно більше, в залежності від процентного співвідношення компонентів.





Склад сплаву, %



Температура плавлення, °С



галій



індій



олово



цинк



1



95











5



25



2



92







8







20



3



82







12



6



17



4



76



24











16



5



67



29







4



13



6



67



205



125







106



7



62



25



13







485



8



61



25



13



1



3

Ці сплави рідкими металами і є. Вони не токсичні, але фахівці рекомендують при роботі з ними дотримуватись обережності і працювати в гумових або бавовняних рукавичках.

Спобличчя одержання рідких металів

Якщо не говорити про рідких металах на основі галію, то в першу чергу вчені шукали можливість швидкого охолодження розплавленого металу. Існує спосіб розпилення металу з допомогою пристрою, що нагадує пульверизатор, тонким шаром на дуже холодну поверхню. Метод носить назву "іонно-плазмове розпилення". Використовується і нанесення рідкого металу на обертовий диск. У будь-якому випадку такими способами можна було отримати вузькі смужки металу, які можна з'єднати між собою гарячими методами, звичайними для кристалічних речовин. Наступним етапом було створення сплавів з металів, які один з одним поєднуються погано. Фахівці Каліфорнійського технологічного інституту розробили сплав з назвою Liquidmetal. До складу рідкого металу входять титан, мідь, нікель, цирконій і берилій. При охолодженні такого сплаву кристалізація відбувається дуже повільно, так як атоми металів дуже відрізняються за розмірами.

Застосування рідких металів

Рідкі метали на основі галію використовуються в системах пожежної сигналізації, в якості теплоносія в системах охолодження з високими робочими температурами. У період, коли сплав "рідкий метал" отримували у вигляді вузьких стрічок, йому знайшли застосування при створенні кодового маркування, призначеної для боротьби з розкраданнями та використання в покритті бурових труб для збільшення терміну їх служби. Коли був створений Liquidmetal, його почали застосовувати при виготовленні ключок для гольфу. Розрахунки показали, що така ключка передає м'ячу більш потужне енергетичне зусилля, ніж звичайна. Фахівці Liquidmetal Technologies беруть участь у розробках провідних виробників лиж і бейсбольних біт. В оборонній промисловості Liquidmetal може замінити збіднений уран в снарядах, б'ють броню. У Росії з рідкого металу, отриманого з розплаву, охолодженого на обертовому диску, стали виготовляти елементи і микропровода для особливо чутливої і точної апаратури, в медичному приладобудуванні та електронній техніці, фільтри для захисту цінних паперів і банкнот від підробок і багато іншого.

Рідкі метали в якості термоінтерфейса

У вимірювальної техніки, радіоелектронних пристроях і побутових комп'ютерах широко використовується термоінтерфейс. Термоінтерфейс – це термопроводящее речовина, яка наноситься тонким шаром між поверхнею, яку необхідно охолоджувати, і пристроєм, призначеним для відводу тепла. До нього пред'являються високі вимоги: - постійна консистенція, яка не змінюється при роботі або зберіганні; - стабільність характеристик у робочому діапазоні температур; - нетоксичність і негорючість; - легкість нанесення і видалення з поверхні; - мінімальне теплове опір. Найбільш поширеним видом термоінтерфейсу є теплопровідна паста, або, простіше кажучи, термопаста. Рідкий метал з високим коефіцієнтом теплопровідності і іншими властивостями як не можна краще відповідає пропонованим до термопастам вимогам. У комп'ютерах на друкованих платах процесорів виділяється велика кількість тепла. Поверх процесора встановлюється охолоджуючий механізм (радіатор). Щоб підвищити ефективність відведення тепла і прибрати повітряний прошарок між кулером і процесором, використовуються термопасти.

Продукти компанії Coollaboratory

Компанією Coollaboratory був розроблений продукт, що повністю складається з рідких металів, без твердих частинок і неметалевих домішок. Рідкий метал Coollaboratory Liquid Pro - теплопровідні матеріал з високою теплопровідністю, що зовні нагадує ртуть, але нетоксичний, характеризується високою здатністю до змочування багатьох матеріалів. Coollaboratory Liquid Ultra у вигляді пасти легко наноситься пензликом на теплорозподільну кришку процесора. Coollaboratory Liquid Metal Pad являє собою теплопроводящую прокладку, яка легко наноситься на поверхню і плавиться лише при нагріванні процесора. Всі ці рідкі метали не можуть працювати при контакті з алюмінієм - радіатор повинен бути виконаний з міді з нікелевим покриттям. Виробник заявляє про унікальні показники теплопровідності Coollaboratory Liquid Metal. Правда, на цей рідкий метал відгуки неоднозначні, і багато користувачі виявляють сумніви в заявлених характеристиках.

Застосування рідкого металу виробниками смартфонів

В даний час в американській версії iPhone комплектується інструментом для витягання SIM-карти, кажучи інакше, i-Скріпкою з рідкого металу.
Але таке унікальне речовина з можливістю приймати при незначній масі будь-які форми, антикорозійними властивостями і особливо високою міцністю, підвищеною зносостійкістю, високим коефіцієнтом відновлення можна використовувати і для виготовлення корпусів смартфонів, флешок і годин. В планах Apple виготовлення клавіші Home і сенсорної поверхні рідкого металу. Компанія HTC теж планує використовувати LiquidMetal при виготовленні корпусів смартфонів. Але ці дані є неофіційними. Зате компанія Тьюринга Robotics Industries (TRI) при створенні унікального Android-смартфона Тьюринга Phone використовує для каркаса корпусу і рамки-обрамлення дисплея надміцний сплав з цирконію, міді, алюмінію, нікелю і срібла, що в описах компонентів смартфона носить назву liquidmorphium. Цей сплав значно міцніше титану і ефективно витримує удари і особливим чином відбиває світло.

Тривимірна друк з застосуванням рідкого металу

Фахівці Університету Північної Кароліни підібрали такий сплав галію та індію, який тримає форму після друку. Тонка плівка оксиду утримує надруковану структуру з кульок і ниток, яка всередині залишається рідкою. Використовуючи технологію тривимірної друку, можна виготовляти еластичні гнучкі проводи, які витримують багаторазові розтягування і стиснення. Раніше австралійські вчені для створення металевих об'єктів, які повинні відновлювати форму, використовували сплав галлистан на основі галію, олова та індія з температурою плавлення 19 °С і спеціальне порошкове покриття. Вчені вважають, що такі вироби не здатні проявити себе в електроніці.

Фарби "рідкий метал"

Фарби з такою назвою, строго кажучи, рідким металом не є. Рідкий метал - фарба з металевих пігментів, тонкоподрібнених порошків кольорових металів і сплавів алюмінію, міді, цинку, бронзи. До металевих пігментів відносяться золотиста бронза, мідний порошок, алюмінієва і цинкова пудра. Такі фарби відрізняються хорошим зчепленням з будь-якими поверхнями: пластиком, металом, тканинами, склом, гіпсом, керамікою, деревом. Рівномірно розпорошуються соплом від 02 мм і закріплюються лаками на водній основі. Фарба "рідкий метал" марки Maimeri ("Маймері") на основі смоли розбавляється спиртом і служить для декорування тонких поверхонь – паперу, картону, дерева. Характеризується додаткової стійкістю до зносу і окислення. Рідкий метал Viva ("Віва") розбавляється водою і призначений для розпису фарфору, фаянсу, кераміки, гончарних виробів. Спеціальна фарба була розроблена фахівцями Mercedes Benz для купе CL 65 AMG на основі тонких алюмінієвих пігментів. Таке покриття добре відбиває світло і інтенсивно блищить. На закінчення можна зробити висновок, що поняття «рідкий метал з мартена» не є всеосяжним. Що ще можна віднести до даної категорії матеріалів? «Рідкий метал» - таку назву носять також штучні сплави і речовини в аморфному стані, мають властивості металів, у тому числі кольором і блиском.