Un metal líquido es un metal o una aleación de metal que es líquido a temperatura ambiente o cerca de ella . [1]
El único metal elemental líquido estable a temperatura ambiente es el mercurio (Hg), que se funde por encima de -38,8 ° C (234,3 K, -37,9 ° F). Tres metales elementales más estables se funden justo por encima de la temperatura ambiente: el cesio (Cs), que tiene un punto de fusión de 28,5 ° C (83,3 ° F); galio (Ga) (30 ° C [86 ° F]); y rubidio (Rb) (39 ° C [102 ° F]). El francio (Fr), un metal radiactivo, probablemente también sea líquido cerca de la temperatura ambiente. Los cálculos predicen que los metales radiactivos copernicio (Cn) y flerovio (Fl) también deberían ser líquidos a temperatura ambiente. [2]
Las aleaciones pueden ser líquidas si forman un eutéctico , lo que significa que el punto de fusión de la aleación es más bajo que cualquiera de los metales constituyentes de la aleación. El metal estándar para crear aleaciones líquidas solía ser el mercurio , pero las aleaciones a base de galio , que son más bajas tanto en su presión de vapor a temperatura ambiente como en su toxicidad, se están utilizando como reemplazo en varias aplicaciones. [3]
Conductividad térmica y eléctrica
Los sistemas de aleación que son líquidos a temperatura ambiente tienen una conductividad térmica muy superior a la de los líquidos no metálicos ordinarios [4], lo que permite que el metal líquido transfiera energía de manera eficiente desde la fuente de calor al líquido. También tienen una conductividad eléctrica más alta que permite que el líquido sea bombeado por bombas electromagnéticas más eficientes. [5] Esto da como resultado el uso de estos materiales para aplicaciones específicas de conducción y / o disipación de calor.
Otra ventaja de los sistemas de aleación líquida es su inherente alta densidad.
Viscosidad
La viscosidad de los metales líquidos puede variar mucho dependiendo de la composición atómica del líquido, especialmente en el caso de las aleaciones. En particular, la dependencia de la temperatura de la viscosidad de los metales líquidos puede variar desde la dependencia estándar de la ley de Arrhenius , hasta una dependencia mucho más pronunciada (no Arrhenius) como la dada empíricamente por la ecuación de Vogel-Fulcher-Tammann . También se desarrolló un modelo físico para la viscosidad de los metales líquidos, que captura esta gran variabilidad en términos de las interacciones interatómicas subyacentes. [6]
La resistencia eléctrica de un metal líquido se puede estimar mediante la fórmula de Ziman, que da la resistencia en términos del factor de estructura estática del líquido que se puede determinar mediante mediciones de dispersión de rayos X o neutrones.
Humectante de superficies metálicas y no metálicas
Una vez que se han eliminado los óxidos de la superficie del sustrato, la mayoría de los metales líquidos mojarán la mayoría de las superficies metálicas. A temperatura ambiente, los metales líquidos suelen ser reactivos y solubles en superficies metálicas, aunque algunos metales sólidos son resistentes al ataque de los metales líquidos comunes. [7] Por ejemplo, el galio es corrosivo para todos los metales excepto el tungsteno y el tantalio , que tienen una alta resistencia a la corrosión, más que el niobio , el titanio y el molibdeno . [8]
Al igual que el indio , el galio y las aleaciones que contienen galio tienen la capacidad de mojar muchas superficies no metálicas como el vidrio y el cuarzo . Frotar suavemente la aleación en la superficie puede ayudar a inducir la humectación. Sin embargo, esta observación de "mojarse frotando la superficie del vidrio" ha creado una idea errónea de que los metales líquidos a base de galio mojan las superficies del vidrio, como si el líquido se liberara de la piel de óxido y humedeciera la superficie. La realidad es todo lo contrario: el óxido hace que el líquido moje el vidrio. En más detalles: a medida que el líquido se frota y se extiende sobre la superficie del vidrio, el líquido se oxida y recubre el vidrio con una capa delgada de residuos de óxido (sólidos), sobre los cuales se moja el metal líquido. En otras palabras, lo que se ve es un metal líquido a base de galio que humedece su óxido sólido, no el vidrio. Aparentemente, la idea errónea anterior fue causada por la oxidación súper rápida del galio líquido incluso en una pequeña cantidad de oxígeno, es decir, nadie observó el verdadero comportamiento de un galio líquido sobre vidrio, hasta que una investigación en la UCLA desmintió el mito anterior mediante pruebas Galinstan , una aleación a base de galio que es líquida a temperatura ambiente, en un ambiente libre de oxígeno. [9] Nota: Estas aleaciones forman una fina capa de óxido de aspecto opaco que se dispersa fácilmente con una leve agitación . Las superficies libres de óxido son brillantes y lustrosas.
Aplicaciones
Debido a sus excelentes características y métodos de fabricación, los metales líquidos se utilizan a menudo en dispositivos portátiles, dispositivos médicos, dispositivos interconectados, etc.
Los usos típicos de los metales líquidos incluyen termostatos , interruptores , barómetros , sistemas de transferencia de calor y diseños de calefacción y refrigeración térmica . [10] Excepcionalmente, se pueden utilizar para conducir calor y / o electricidad entre superficies metálicas y no metálicas.
Interfaces térmicas
El metal líquido se utiliza a veces como material de interfaz térmica entre enfriadores y procesadores debido a su alta conductividad térmica. La consola de videojuegos PlayStation 5 utiliza metal líquido para ayudar a enfriar las altas temperaturas dentro de la consola. [11]
Dispositivos de impresión 3D
El metal líquido se puede utilizar para dispositivos portátiles. Las aplicaciones emergentes de IoT requieren una conectividad inalámbrica confiable y eficaz. Por lo tanto, es necesario hacer una pequeña antena flexible.
Ver también
- Bomba electromagnética
- NaK , mercurio : otros metales que son líquidos a temperatura ambiente
- Aleación fusible
Referencias
- ^ Neumann, Taylor V .; Dickey, Michael D. (2020). "Liquid Metal Direct Write e impresión 3D: una revisión" . Tecnologías de materiales avanzados . 5 (9): 2000070. doi : 10.1002 / admt.202000070 . ISSN 2365-709X .
- ^ Mewes, Jan-Michael; Schwerdtfeger, Peter (11 de febrero de 2021). "Exclusivamente relativista: tendencias periódicas en los puntos de fusión y ebullición del grupo 12" . Angewandte Chemie . doi : 10.1002 / anie.202100486 . Consultado el 1 de marzo de 2021 .
- ^ Materiales de interfaz térmica
- ^ Kunquan, Ma; Jing, Liu (octubre de 2007). "Gestión de metales líquidos de chips informáticos". Fronteras de la energía y la ingeniería eléctrica en China . 1 (4): 384–402. doi : 10.1007 / s11708-007-0057-3 . ISSN 1673-7504 .
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- ^ Wade, K .; Barandilla, AJ (1975). La química del aluminio, galio, indio y talio . Textos de Pérgamo en Química Inorgánica. 12 . ASIN B0007AXLOA .
- ^ Lyon, Richard N., ed. (1952). Manual de metales líquidos (2 ed.). Washington DCCS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
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- ^ Materiales de interfaz térmica de metal líquido
- ^ Grubb, Jeff (7 de octubre de 2020). "PlayStation 5 usa metal líquido; he aquí por qué es genial" . VentureBeat . Consultado el 19 de diciembre de 2020 .