Gallium is een zeer nuttig element dat de vooruitgang van de menselijke beschaving in de 20e eeuw heeft begeleid. Gallium wordt aangemerkt als een technologisch kritisch element, omdat het essentieel is voor de fabricage van halfgeleiders en transistors. Opmerkelijk, galliumnitride en verwante verbindingen maakten de ontdekking van de blauwe LED mogelijk, dat was de laatste sleutel in de ontwikkeling van een energiezuinig en duurzaam wit LED-verlichtingssysteem. Deze ontdekking heeft geleid tot de toekenning van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2014. Geschat wordt dat tot 98% van de vraag naar gallium afkomstig is uit de halfgeleider- en elektronica-industrie.

Naast het gebruik in elektronica, de unieke fysieke eigenschappen van gallium hebben geleid tot het gebruik ervan in andere gebieden. Gallium zelf is een metaal met een zeer laag smeltpunt en is vloeibaar bij net boven kamertemperatuur (30 °C). Ook, gallium kan verschillende eutectische systemen vormen (legeringen die een lager smeltpunt hebben dan een van de bestanddelen, waaronder gallium) met een aantal andere metalen. Zowel puur gallium als deze op gallium gebaseerde vloeibare metaallegeringen hebben een hoge oppervlaktespanning en worden op de meeste oppervlakken als "niet smeerbaar" beschouwd. Dit maakt ze moeilijk te hanteren, vorm, of verwerken, wat hun potentieel voor toepassing in de echte wereld beperkt. Echter, een recente ontdekking heeft mogelijk de mogelijkheid geopend voor een breder gebruik van gallium op het gebied van functionele materialen.

Een onderzoeksteam van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Ulsan, Zuid-Korea en het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) hebben een nieuwe methode uitgevonden voor het opnemen van vulstofdeeltjes in vloeibaar gallium om functionele composieten van vloeibaar metaal te maken. De opname van vulstoffen transformeert het materiaal van een vloeibare toestand in een pasta- of stopverfachtige vorm (met consistentie en "gevoel" vergelijkbaar met het commerciële product "Plasticine"), afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegde deeltjes. In het geval dat grafeenoxide (G-O) als vulmateriaal werd gebruikt, G-O-gehalte van 1,6-1,8% resulteerde in een pasta-achtige vorm, terwijl 3,6% optimaal was voor de vorming van stopverf. Een verscheidenheid aan nieuwe galliumcomposieten en het mechanisme van hun vorming wordt beschreven in een recent artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang .

Het mengen van deeltjes in het op gallium gebaseerde vloeibare metaal verandert de fysieke eigenschappen van het materiaal, wat een veel gemakkelijkere bediening mogelijk maakt. Eerste auteur Chunhui Wang merkt op:"Het vermogen van vloeibare galliumcomposieten om pasta's of plamuren te vormen is buitengewoon gunstig. Het verwijdert de meeste problemen bij het hanteren van gallium voor toepassingen. Het maakt niet langer vlekken op oppervlakken, het kan op bijna elk oppervlak worden gecoat of "geverfd", het kan in verschillende vormen worden gegoten. Dit opent een breed scala aan toepassingen voor gallium die nog niet eerder zijn gezien." De mogelijke toepassing van deze ontdekking omvat situaties waarin zachte en flexibele elektronica vereist is, zoals in draagbare apparaten en medische implantaten. De studie toonde zelfs aan dat het composiet kan worden gevormd tot een poreus schuimachtig materiaal met extreme hittebestendigheid, met het vermogen om een ​​minuut lang een steekvlam te weerstaan ​​zonder enige schade op te lopen.

In dit onderzoek, het team was in staat om de factoren te identificeren waardoor de vulstoffen met succes konden worden gemengd met vloeibaar gallium. Co-corresponderende auteur Benjamin Cunning beschreef de voorwaarden:"Vloeibaar gallium ontwikkelt een oxide-'huid' bij blootstelling aan lucht, en dit is cruciaal voor het mengen. Deze huid bedekt het vulmiddeldeeltje en stabiliseert het in het gallium, maar deze huid is veerkrachtig. We hebben geleerd dat er deeltjes moeten worden gebruikt die groot genoeg zijn, anders kan er geen vermenging plaatsvinden en kan er geen composiet worden gevormd."

De onderzoekers gebruikten vier materialen als vulstoffen in hun onderzoek:grafeenoxide, silicium carbide, diamant en grafiet. Tussen deze, twee van hen vertoonden met name uitstekende eigenschappen wanneer ze werden opgenomen in vloeibaar gallium:gereduceerd grafeenoxide (rG-O) voor afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI) en diamantdeeltjes voor thermische interfacematerialen. Een 13 micron dikke coating van Ga/rG-O-composiet op een gereduceerde grafeenoxidefilm was in staat om de afschermingsefficiëntie van de film te verbeteren van 20 dB tot 75 dB, wat voldoende is voor zowel commerciële (> 30 dB) en militair (> 60 dB) toepassingen. Echter, de meest opmerkelijke eigenschap van het composiet was het vermogen om EMI-afschermingseigenschappen te bieden aan elk alledaags materiaal. De onderzoekers toonden aan dat een vergelijkbare 20 micron dikke coating van Ga/rG-O aangebracht op een eenvoudig vel papier een afschermingsefficiëntie van meer dan 70 dB opleverde.

Misschien wel het meest opwindend was de thermische prestatie toen diamantdeeltjes in het materiaal werden verwerkt. Het CMCM-team heeft de thermische geleidbaarheid gemeten in samenwerking met UNIST-onderzoekers Dr. Shalik Joshi en Prof. KIM Gun-ho, en de praktijkexperimenten werden uitgevoerd door LEE Seunghwan en Prof. LEE Jaeson. Het thermische geleidbaarheidsexperiment toonde aan dat de diamantbevattende composiet bulkwarmtegeleidingsvermogens had tot ~ 110 W m-1 K-1, met grotere vulstofdeeltjes die een grotere thermische geleidbaarheid opleveren. Dit overtrof de thermische geleidbaarheid van de in de handel verkrijgbare koelpasta (79 W m-1 K-1) met meer dan 50%.

Het toepassingsexperiment bewees verder de effectiviteit van het gallium-diamantmengsel als thermisch interfacemateriaal (TIM) tussen een warmtebron en een koellichaam. interessant, de composiet met kleinere diamantdeeltjes vertoonde een superieur real-world koelvermogen ondanks een lagere thermische geleidbaarheid. De reden voor deze discrepantie is te wijten aan het feit dat de grotere diamantdeeltjes meer geneigd zijn om door het bulk gallium uit te steken en luchtspleten te creëren op het grensvlak van het koellichaam of de warmtebron en de TIM, de effectiviteit ervan verminderen. (Ruoff merkt op dat er enkele waarschijnlijke manieren zijn om dit probleem in de toekomst op te lossen.)

als laatste, de groep heeft zelfs een composiet gemaakt en getest dat is gemaakt van een mengsel van galliummetaal en commerciële siliconenkit - beter bekend als "Silly Putty" (Crayola LLC). Dit laatste type galliumhoudend composiet wordt gevormd door een heel ander mechanisme, waarbij kleine druppeltjes gallium door de Silly Putty worden verspreid. Hoewel het niet het indrukwekkende EMI-afschermingsvermogen van de bovengenoemde Ga/rG-O heeft (het materiaal heeft 2 mm coating nodig om dezelfde 70 dB afschermingsefficiëntie te bereiken), het wordt gecompenseerd met superieure mechanische eigenschappen. Aangezien deze composiet siliconenpolymeer gebruikt in plaats van galliummetaal als basismateriaal, het is rekbaar en kneedbaar.

Prof. Rod Ruoff, directeur van CMCM, kwam op het idee om dergelijke koolstofvulstoffen te mengen met vloeibare metalen. Hij zegt, "We hebben dit werk voor het eerst ingediend in september 2019, en sindsdien heeft het een paar iteraties ondergaan. We hebben ontdekt dat een grote verscheidenheid aan deeltjes kan worden opgenomen in vloeibaar gallium en hebben een fundamenteel begrip verschaft van hoe deeltjesgrootte een rol speelt bij succesvol mengen. We ontdekten dat dit gedrag zich uitstrekt tot galliumlegeringen die vloeibaar zijn bij temperaturen onder kamertemperatuur, zoals indium-gallium, tin-gallium, en indium-tin-gallium. De mogelijkheden van onze UNIST-medewerkers hebben uitstekende toepassingen voor deze composieten aangetoond, en we hopen dat ons werk anderen inspireert om nieuwe functionele vulstoffen met spannende toepassingen te ontdekken."