Voor sommigen kan de loutere vermelding van vloeibaar metaal visioenen van T-1000 oproepen:de vormveranderende, bijna onoverwinnelijke schurk die de toekomstige redder van de mensheid in "Terminator 2" het vuur aan de schenen legt.

Maar voor Eric Markvicka en collega's van de University of Nebraska-Lincoln komen druppels van het spul naar voren als een hoofdrolspeler in de zoektocht om warmte af te voeren - en oververhitting te voorkomen - in draagbare technologie, zachte robotica en andere micro-elektronische toepassingen.

"Naarmate de rekenkracht toeneemt, wordt thermische dissipatie een steeds belangrijkere factor", zegt Markvicka, universitair docent werktuigbouwkunde en materiaalkunde.

Niet helpen? Het feit dat veel draagbare apparaten en andere slimme technologieën kneedbare, elastische materialen bevatten die het gewicht verminderen en het comfort verhogen, maar ook warmte vasthouden. Om dit probleem aan te pakken, hebben Markvicka en andere ingenieurs geprobeerd de isolatiematerialen te vullen met druppeltjes van vloeibaar metaal die van nature warmte geleiden en het bijgevolg weg kunnen voeren van de micro-elektronica die het genereert.

De aanpak heeft tot op zekere hoogte gewerkt. Maar op dat moment kwam een ​​ontnuchterend besef:hoewel druppeltjes van vloeibaar metaal de thermische geleidbaarheid verbeteren, kan hun dichtheid - en het aantal dat nodig is om die geleidbaarheid echt te verbeteren - ook een onpraktische hoeveelheid gewicht toevoegen.

Dat getouwtrek tussen thermische geleidbaarheid en dichtheid had ingenieurs tot stilstand gebracht. Maar in een nieuwe studie heeft het team van Markvicka aangetoond dat het inbedden van een siliconenmateriaal met op gallium gebaseerde druppeltjes - en, cruciaal, het inbedden van die druppeltjes met microscopisch kleine bollen van hol glas - de boost in warmteafvoer grotendeels kan behouden zonder in te boeten aan de lichtgewicht plooibaarheid van het materiaal.

"Het is nog steeds zacht en rubberachtig, maar heeft een thermische geleidbaarheid die (die van) sommige stijve metalen, zoals titanium of roestvrij staal, benadert, met ongeveer de helft van de dichtheid van die metalen," zei Markvicka. "Deze combinatie van eigenschappen maakt het materiaal uniek en interessant."

Terwijl ze experimenteerden met de glazen microbolletjes, testten de onderzoekers versies van de siliconen waarvan de vloeibare metaaldruppels verschillende volumes van het holle glas huisvestten, van 0% tot 50%. De toename van 50% in volume leidde tot een afname van 35% van de algehele dichtheid van het materiaal en slechts een afname van 14% in thermische geleidbaarheid, waarvan de laatste al begon vanaf een hogere basislijn dan bij siliconen zonder het vloeibare metaal.

Die prestatie op zich was genoeg om de ingenieurs aan het juichen te krijgen. Markvicka, promovendus Ethan Krings en hun collega's waren echter nog niet klaar. Met behulp van eerder modelleringswerk ontwikkelde het Nebraska-team vervolgens wat Markvicka beschreef als een "contourkaart" om de toekomstige afstemming van zachte materialen te begeleiden die afhankelijk zijn van de Russische nestpopbenadering van het team.

Bij het ontwikkelen van de kaart formaliseerde het team wat de experimenten onthulden:dat zorgvuldige engineering de normaal met elkaar verweven eigenschappen van een polymeer kan ontrafelen, waardoor een ongeëvenaarde controle over de prestaties van het materiaal wordt verkregen.

Eén as van de kaart is verantwoordelijk voor het volume van vloeibare metaaldruppels in een materiaal; de andere as kwantificeert het volume van glazen microbolletjes in de druppeltjes. Door alleen het volume van glazen microbolletjes aan te passen, zo liet de kaart zien, kan de dichtheid van het materiaal veranderen terwijl de thermische geleidbaarheid bijna volledig ongewijzigd blijft. Het wijzigen van de verhoudingen van zowel glas als vloeibaar metaal kan ondertussen de thermische geleidbaarheid veranderen zonder de dichtheid te beïnvloeden.

"We hebben dus kunnen aantonen dat we nu onafhankelijk de thermische geleidbaarheid en dichtheid in deze composieten kunnen regelen, wat nog nooit eerder is aangetoond", zegt Markvicka, wiens team zijn proof of concept in het tijdschrift Small heeft beschreven.

De onderzoekers toonden die controle verder aan door verschillende siliconenversies van de Nebraska N van de universiteit te fabriceren. Elke versie had een andere dichtheid, zoals blijkt uit het feit dat de dichtste naar de bodem van een met vloeistof gevulde cilinder zonk, de minst dichte dreef op de top, en een matig dichte versie zweefde tussen de twee. Ondanks hun verschillende dichtheden, dissipeerden de N's warmte met ongeveer dezelfde snelheid als elektriciteit werd geleid door een verwarmingselement dat in elk van hen was geïmplanteerd.

Markvicka ziet talloze manieren waarop een zacht maar thermisch geleidend materiaal kan profiteren van opkomende technologie. Om te beginnen, zei hij, zou het kunnen helpen de beperkingen op de rekenkracht van micro-elektronica die in draagbare technologie wordt geperst, te verlichten, waardoor de weg naar snellere apparaten met meer functionaliteit wordt geëffend.

Ingenieurs van grootschalige digitale technologie, waaronder computers en gameconsoles, kunnen het ook nuttig vinden bij het maken van zogenaamde interfacematerialen die aanzienlijke hoeveelheden warmte van bijvoorbeeld processors naar vloeibare koelmiddelen transporteren. De PlayStation 5-console maakt voor dat doel bijvoorbeeld al gebruik van vloeibaar metaal.

Daarbuiten liggen de voor de hand liggende toepassingen in thermoregulerende kleding, zei Markvicka, die de huidtemperatuur van een drager kan controleren en vervolgens dienovereenkomstig warmte kan leveren of verwijderen.

"Veel van de grote gereedschapsbedrijven hebben deze verwarmde jassen en uitrusting om werknemers te helpen warm te blijven in koude omgevingen," zei hij. "Dit materiaal zou kunnen werken als een passieve warmteverspreider om een ​​meer uniforme verwarming door een jas te bereiken en hotspots te elimineren, zonder de beweging van de drager te beperken.

"Alles waar het menselijk lichaam mee in wisselwerking staat, er kunnen toepassingen zijn voor dit materiaal." + Verder verkennen

De stof van wandeluitrusting heeft een verkoelend effect dat je volgende smartwatch comfortabeler kan maken