Сьогодні вже похитнулося звичне уявлення про те, що метал в звичайному стані - речовина тверде. Довгий час вважалося, що єдиний виняток з цього твердження - ртуть, яка в рідкому стані залишається до -39 ° C. Відповідь на питання про те, який метал рідкий, не таке однозначне.
Рідкі метали в природі
Насправді ртуть не є єдиним в 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 вкрай мало і видобуток його утруднена.
А от радіоактивний елемент Францій, період напіврозпаду якого становить трохи більше 22 хвилин, утворюється при розпаді актиния, і до сих пір невідомо, як він виглядає. Навіть вчені про нього знають дуже мало, і знання ці накопичуються по крупицях. Наукові лабораторії проводять дослідження цього елемента на зразках масою в одну десятимільйонну долю 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
У металах атоми розташовуються в строгому геометричному порядку і утворюють кристалічну решітку. Їх види в різних металах і сплавах розрізняються залежно від кількості і розташування атомів.
В розплавлених металах атоми знаходяться в хаотичному русі, і зв`язку між ними порушуються.
Звичайний розплавлений рідкий 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 або тріщин, відбувається саме на кордонах між кристалами. Тобто якщо не існує чітких меж між кристалами, змінюються не тільки механічні, а й 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 поверхневий натяг 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 мають чудові магнітними властивостями, високими показниками міцності на розтягнення і ударної в`язкості.
Рідкий метал міцніше титану більш ніж в два рази, не іржавіє і може відливатися в форму, навіть найскладнішу, як будь-який пластичний матеріал. При цьому після виливки додатково обробляти виріб не потрібно - у нього чітких обрисів 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 менше 70 ° С. Більшість з них хімічно активні і токсичні. Сплави на основі галію, в які в різних пропорціях входять індій, олово і цинк, плавляться при низьких температурах, менше 40 ° С, і не є ні токсичними, ні хімічно активними. У промисловості їх використовується всього 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 | 20,5 | 12,5 | 10,6 | |
7 | 62 | 25 | 13 | 4,85 | |
8 | 61 | 25 | 13 | 1 | 3 |
Ці сплави рідкими металами і є. Вони не токсичні, але фахівці рекомендують при роботі з ними дотримуватися запобіжних заходів і працювати в гумових або бавовняних рукавичках.
Способи отримання 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 за допомогою пристрою, що нагадує пульверизатор, тонким шаром на дуже холодну поверхню. Метод називається "іонно-плазмове розпилення". Використовується і нанесення рідкого металу на обертовий диск. У будь-якому випадку такими способами можна було отримати вузькі смужки металу, які не можна поєднати 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, тому що 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, застосування йому знайшли при створенні кодового маркування, призначеної для боротьби з розкраданнями і 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 в розробках провідних виробників лиж і бейсбольних біт.
В оборонній промисловості Liquidmetal може замінити збіднений уран в снарядах, що пробивають броню.
У Росії з рідкого металу, отриманого з розплаву, охолодженого на обертовому диску, стали виготовляти елементи і мікродроту для особливо чутливої і точної апаратури, в медичному приладобудуванні і електронної техніки, фільтри для захисту цінних паперів та банкнот від підробок і багато іншого.
Рідкі метали в якості термоінтерфейсу
У вимірювальній техніці, радіоелектронних пристроях і побутових комп`ютерах широко використовується термоінтерфейс.
Термоінтерфейс - це термопровідних речовина, яке 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 в 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 висунутим до термопасте 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 кольором і процесором, використовуються термопасти.
Продукти компанії Coollaboratory
Компанією Coollaboratory був розроблений продукт, що повністю складається з рідких металів, без твердих частинок і неметалевих добавок.
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 тільки 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 показниках теплопровідності Coollaboratory Liquid Metal. Правда, на цей рідкий метал відгуки неоднозначні, і багато користувачів 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-скріпки з рідкого металу.
Але таке унікальне речовина з можливістю приймати при незначній масі будь-які форми, антикорозійними властивостями і особливо високою міцністю, підвищену зносостійкість, високим коефіцієнтом відновлення можна використовувати і для виготовлення корпусів смартфонів, флешок і годин. У планах Apple - виготовлення клавіші Home і сенсорної поверхні з рідкого металу.
Компанія HTC теж планує використовувати LiquidMetal при виготовленні корпусів смартфонів. Але ці дані є неофіційними.
Зате компанія Turing Robotics Industries (TRI) при створенні унікального Android-смартфона Turing Phone використовує для каркаса корпусу і рамки-окантовки дисплея надміцний сплав з цирконію, міді, алюмінію, нікелю і срібла, який в описах компонентів смартфона носить назву liquidmorphium. Цей сплав значно міцніше титану і ефективно витримує удари і особливим чином відображає світло.
Тривимірна друк з застосуванням рідкого металу
Фахівці Університету Північної Кароліни підібрали такий сплав галію і індію, який тримає форму після друку. Тонка плівка оксиду утримує надруковану структуру з кульок і ниток, яка всередині залишається рідкою. Використовуючи технологію тривимірного друку, можна виготовляти еластичні гнучкі проводи, що витримують багаторазові розтягування і стиснення.
Раніше австралійські вчені для створення металевих об`єктів, які повинні відновлювати форму, використовували сплав галлістан на основі галію, олова і індію з температурою плавлення 19 ° С і спеціальне порошкове покриття.
Вчені вважають, що такі вироби 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 ставляться золотиста бронза, мідний порошок, алюмінієва і цинкова пудра. Такі фарби відрізняються гарним зчепленням з будь-якими поверхнями: пластиками, металами, тканинами, склом, гіпсом, керамікою, деревом. Рівномірно розпорошуються соплом від 0,2 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 окисленню.
Рідкий метал Viva ( "Віва") розбавляється водою і призначений для розпису порцеляни, фаянсу, кераміки, гончарних виробів.
Спеціальна фарба була розроблена фахівцями Mercedes Benz для купе CL 65 AMG на основі найтонших 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 цієї категорії матеріалів? «Рідкий метал» - назва така носять також штучні сплави і речовини в аморфному стані, що володіють властивостями металів, в тому числі кольором і блиском.
