액체 갈륨의 많은 모양들

 

재료의 표면 장력, 산화물 층 및 기타 특성을 제어하면 고유한 동작 및 적용이 가능하다.

 

주기율표에는 상온 근처에 액체 상태인 5개의 금속이 포함되어 있다. 모두 좋은 지휘자이지만, 그들과 함께 일하는 것은 문제가 될 수 있다. 프랑슘은 방사성이며 반감기는 22분이다. 루비듐과 세슘은 예외적으로 반응성이 있고 폭발하거나 불이 붙기 쉽다; 그리고 가장 잘 알려진 수은은 독성이 있는 것으로 유명하다. 그것은 안전한 실험을 위해 오직 하나의 액체 금속인 갈륨만을 남긴다.

노스캐롤라이나 주립대학의 마이클 디키는 2021년 4월호 피직스 투데이 30페이지에서 산소에 노출될 때 표면 산화물 층을 형성하는 Ga의 성향이 실질적인 적용을 크게 방해했다고 언급했다. 상기 층은 Ga가 자유롭게 흐르는 것을 방지하고 전기화학 반응을 방해한다. 그러나 그가 계속해서 설명하면서, 그 계층은 자산으로 볼 수 있다. Ga를 Hg의 대용품으로 생각하기보다는, 그와 그의 연구 그룹은 Ga의 본질적인 이점을 탐구했다.

신축성과 자가 치유가 가능한 전자 제품

상온의 액체 금속은 일반 금속선을 사용할 수 없게 만드는 굽힘 및 스트레칭에 직면하여 전도성을 유지하기 때문에 변형 가능한 전자 제품에 이상적인 후보이다. 첫 번째 비디오의 첫 번째 클립은 신축성 있는 와이어가 있는 헤드폰을 보여준다. 고분자 튜브에 Ga를 감싸는 경우, 결과적으로 발생하는 와이어의 신축성은 주변 물질의 신축성에 의해서만 제한된다. 상기 금속은 상기 고분자를 용매에 용해시켜 회수하여 재사용할 수 있다. 그리고 액체 Ga를 둘러싸고 있는 폴리머가 자가 치유된다면, 두 번째 클립에서 보듯이, 절단된 와이어는 두 끝을 다시 밀어 붙이기만 하면 수리될 수 있다.

액체 Ga를 사용하여 변형 가능한 도체를 만드는 또 다른 방법은 PDMS와 같은 액체 고분자 내에 금속의 방울을 분산시키는 것이다. 만약 이 물질이 고장난 회로의 틈을 메우기 위해 사용된다면, 금속 방울들은 그 틈을 메우고 회로에 대한 전도성을 회복시키는 체인을 형성한다.

 

촉각 센서

다른 도체와 마찬가지로 액체 금속 와이어의 저항은 그 기하학적 구조에 따라 달라진다. 그러나 고체 와이어와 달리 액체 금속 와이어는 부드러운 재료로 둘러싸여 있으면 모양이 변할 수 있다. 실리콘에 내장된 액체 Ga 도체를 누르면 도체의 모양과 저항이 변경되고 국부적인 저항 가열이 변경된다.

이 비디오에서 보는 것처럼 열색소 색소가 실리콘에 통합된 경우 가열은 색상의 변화에 해당한다. 또는 여러 색소를 사용하는 경우 여러 색상 사이에서 전환된다. 색의 변화는 심지어 늘어나는 물질이 한계점에 가까워졌을 때 경고를 제공하는 시각적 변형 센서의 역할을 할 수 있다.

 

표면 장력 및 산화물 층

액체 Ga는 물의 10배에 가까운 높은 표면 장력을 가지고 있다. 그래서 다음 비디오의 첫 번째 클립에서 보여지듯이, 재료의 물방울이 깨지면, 그것은 빠르게 다시 형성된다. 그러나 양의 전압을 인가하면 표면에 산화물층이 성장하여 표면장력이 효과적으로 낮아진다. 그 결과 처음에 물방울로 부서지는 떨어지는 액체 Ga가 갑자기 스트림에서 서로 붙는다. 표면의 액적에 양의 전압을 가하면 액적이 확산된다. 특정 조건에서는 손가락 모양의 돌기와 프랙탈을 형성한다. 음의 전압은 산화층 성장을 반전시키고 평평한 물방울을 구형으로 되돌린다. 빠르게 그렇게 하면 물방울이 튀어오른다.

 

마이크로 및 비마이크로 유체 소자

껍질 모양의 표면 산화물 층은 공기와 접촉할 때 액체 Ga 위에 형성되며, 이는 3차원 액체 구조가 그 모양을 유지할 수 있게 한다. 연구자들은 이 기능을 이용하여 이 비디오에 나온 나선형과 같이 거의 임의의 기하학적 구조를 가진 미세 유체 채널을 만들 수 있다. 액체 Ga에 그려진 채널은 이어서 PDMS와 같은 액체 중합체에 의해 감싸진다. 일단 중합체가 경화되면, Ga는 밀려나 수백 미크론 너비의 빈 채널을 남길 수 있다.

미세 유체 시스템에서 특정 경로에 전압을 인가하면 액체 Ga가 선택적 경로로 유도된다. 양의 전압은 재료의 표면 장력을 낮추고 재료가 흐르기 쉽게 만듭니다. 음의 전압은 그 반대다. 액체 Ga의 표면 산화물층은 표면에 결합할 수 있지만, 먼저 표면에 물을 코팅함으로써 이러한 부착을 방지할 수 있다.