p O gálio é um elemento altamente útil que acompanhou o avanço da civilização humana ao longo do século XX. Gálio é designado como um elemento tecnologicamente crítico, pois é essencial para a fabricação de semicondutores e transistores. Notavelmente, nitreto de gálio e compostos relacionados permitiram a descoberta do LED azul, que foi a chave final no desenvolvimento de um sistema de iluminação LED branco de longa duração e eficiente em termos de energia. Essa descoberta levou à entrega do Prêmio Nobel de Física de 2014. Estima-se que até 98% da demanda por gálio provém da indústria de semicondutores e eletrônicos. p Além de seu uso em eletrônicos, as propriedades físicas únicas do gálio levaram ao seu uso em outras áreas. O próprio gálio é um metal com um ponto de fusão muito baixo e é um líquido logo acima da temperatura ambiente (30 ° C). Também, o gálio é capaz de formar vários sistemas eutéticos (ligas que têm um ponto de fusão mais baixo do que qualquer um de seus constituintes, incluindo o gálio) com vários outros metais. Tanto o gálio puro quanto essas ligas de metal líquido à base de gálio têm alta tensão superficial e são considerados "não propagáveis" na maioria das superfícies. Isso os torna difíceis de manusear, forma, ou processo, o que limita seu potencial de aplicação no mundo real. Contudo, uma descoberta recente pode ter aberto a possibilidade de um uso mais amplo de gálio no campo de materiais funcionais.

p Uma equipe de pesquisa do Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) do Institute for Basic Science (IBS) em Ulsan, A Coreia do Sul e o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST) inventaram um novo método para incorporar partículas de enchimento no gálio líquido para criar compostos funcionais de metal líquido. A incorporação de cargas transforma o material de um estado líquido em uma forma pastosa ou pastosa (com consistência e "sensação" semelhantes ao produto comercial "Plasticina") dependendo da quantidade de partículas adicionadas. No caso em que o óxido de grafeno (G-O) foi usado como um material de enchimento, O conteúdo de G-O de 1,6 ~ 1,8% resultou em uma forma pastosa, enquanto 3,6% foi ideal para a formação de massa. Uma variedade de novos compostos de gálio e o mecanismo de sua formação são descritos em um artigo recente publicado na revista. Avanços da Ciência .

p A mistura de partículas dentro do metal líquido à base de gálio altera as propriedades físicas do material, o que permite um manuseio muito mais fácil. O primeiro autor, Chunhui Wang, observa:"A capacidade dos compostos de gálio líquidos de formarem pastas ou massas é extremamente benéfica. Ela elimina a maioria dos problemas de manuseio do gálio para aplicações. Não mancha mais as superfícies, pode ser revestido ou "pintado" em quase qualquer superfície, ele pode ser moldado em uma variedade de formas. Isso abre uma ampla variedade de aplicações para o gálio nunca vistas antes. "A aplicação potencial desta descoberta inclui situações em que eletrônicos macios e flexíveis são necessários, como em dispositivos vestíveis e implantes médicos. O estudo ainda mostrou que o composto pode ser moldado em um material poroso semelhante a espuma com extrema resistência ao calor, com capacidade de resistir a um maçarico por um minuto sem sofrer nenhum dano.

p Neste estudo, a equipe conseguiu identificar os fatores que permitiriam aos enchimentos se misturarem com sucesso ao gálio líquido. O co-autor Benjamin Cunning descreveu os pré-requisitos:"O gálio líquido desenvolve um óxido 'pele' quando exposto ao ar, e isso é crucial para a mixagem. Esta pele reveste a partícula de enchimento e a estabiliza dentro do gálio, mas essa pele é resistente. Aprendemos que partículas de tamanho grande o suficiente devem ser usadas, caso contrário a mistura não pode ocorrer e um composto não pode ser formado. "

p Os pesquisadores usaram quatro materiais como preenchimentos em seu estudo:óxido de grafeno, carboneto de silício, diamante e grafite. Entre estes, dois deles, em particular, exibiram excelentes propriedades quando incorporados ao gálio líquido:óxido de grafeno reduzido (rG-O) para proteção contra interferência eletromagnética (EMI) e partículas de diamante para materiais de interface térmica. Um revestimento de 13 mícrons de espessura de composto Ga / rG-O em um filme de óxido de grafeno reduzido foi capaz de melhorar a eficiência de blindagem do filme de 20 dB a 75 dB, o que é suficiente para ambos comerciais (> 30 dB) e militar (> 60 dB) aplicações. Contudo, a propriedade mais notável do composto era sua capacidade de fornecer propriedade de blindagem EMI para qualquer material comum do dia-a-dia. Os pesquisadores demonstraram que um revestimento similar de Ga / rG-O com 20 mícrons de espessura aplicado em uma folha de papel simples produziu uma eficiência de blindagem de mais de 70 dB.

p Talvez o mais empolgante tenha sido o desempenho térmico quando as partículas de diamante foram incorporadas ao material. A equipe do CMCM mediu as condutividades térmicas em colaboração com os pesquisadores da UNIST, Dr. Shalik Joshi e Prof. KIM Gun-ho, e os experimentos de aplicação do mundo real foram realizados por LEE Seunghwan e Prof. LEE Jaeson. O experimento de condutividade térmica mostrou que o compósito contendo diamante tinha condutividades térmicas em massa de até ~ 110 W m-1 K-1, com partículas de enchimento maiores, resultando em maior condutividade térmica. Isso excedeu a condutividade térmica da pasta térmica comercialmente disponível (79 W m-1 K-1) em mais de 50%.

p O experimento de aplicação provou ainda a eficácia da mistura de gálio-diamante como um material de interface térmica (TIM) entre uma fonte de calor e um dissipador de calor. Interessantemente, o composto com partículas de diamante de tamanho menor mostrou capacidade de resfriamento superior no mundo real, apesar de ter menor condutividade térmica. A razão para esta discrepância é devido às partículas maiores de diamante serem mais propensas a se projetar através do gálio e criar lacunas de ar na interface do dissipador de calor ou fonte de calor e o TIM, reduzindo sua eficácia. (Ruoff observa que existem algumas maneiras prováveis ​​de resolver esse problema no futuro.)

p Por último, o grupo até criou e testou um composto feito de uma mistura de metal de gálio e massa de silicone comercial - mais conhecida como "Massa Silly" (Crayola LLC). Este último tipo de compósito contendo gálio é formado por um mecanismo totalmente diferente, que envolve pequenas gotículas de gálio sendo dispersas por toda a Silly Putty. Embora não tenha a impressionante capacidade de blindagem EMI do Ga / rG-O mencionado acima (o material requer 2 mm de revestimento para atingir a mesma eficiência de blindagem de 70 dB), é compensado com propriedades mecânicas superiores. Uma vez que este composto usa polímero de silicone em vez de metal de gálio como material de base, é extensível além de maleável.

p Prof. Rod Ruoff, diretor da CMCM, concebeu a idéia de misturar tais cargas de carbono com metais líquidos. Ele diz, "Enviamos este trabalho pela primeira vez em setembro de 2019, e passou por algumas iterações desde então. Nós descobrimos que uma grande variedade de partículas pode ser incorporada ao gálio líquido e fornecemos uma compreensão fundamental de como o tamanho das partículas desempenha um papel na mistura bem-sucedida. Descobrimos que esse comportamento se estende a ligas de gálio que são líquidas em temperaturas abaixo da temperatura ambiente, como índio-gálio, estanho-gálio, e índio-estanho-gálio. As capacidades de nossos colaboradores UNIST demonstraram aplicações excelentes para esses compostos, e esperamos que nosso trabalho inspire outras pessoas a descobrirem novos preenchimentos funcionais com aplicativos interessantes. "