Используя необычные свойства жидкого металла под названием галлий, материаловеды стремятся создать новое поколение гибких электронных устройств и механизмов. Об этом сообщает интернет-издание Inverse. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Телефон в заднем кармане джинсов напоминает о фундаментальной истине: человеческое тело мягкое и гибкое. А электроника – нет. Но вскоре могут появиться устройства, которые могут растягиваться, сгибаться и даже восстанавливаться в случае повреждения. Используя необычные свойства жидкого металла под названием галлий, материаловеды стремятся создать новое поколение гибких устройств – для интерфейсов виртуальной реальности, медицинских мониторов, датчиков обнаружения движения и многого другого.
Цель состоит в том, чтобы взять функциональность электроники и сделать ее более мягкой, говорит Майкл Дики, инженер-химик из Университета штата Северная Каролина. По его словам, в гибкой электронике твердые металлы могут утомляться и ломаться, но добавление их к более мягкому материалу дает нужную пластичность. У жидких металлов такой проблемы нет вообще – их можно растягивать и сгибать практически без повреждений.
В отличие от более известной жидкой металлической ртути, галлий имеет низкую токсичность и не настолько легко испаряется. Гибкость – лишь одно из полезных свойств галлия. Поскольку это металл, он легко проводит тепло и электричество.
На воздухе галлий быстро образует твердый внешний оксидный слой, что позволяет легко придать ему полутвердую форму. Поверхностное натяжение, которое в 10 раз больше, чем у воды, также можно изменить, погрузив жидкий металл в соленую воду и подав напряжение.
В прошлом интерес к галлию был низким, отчасти из-за его неуместной ассоциации с токсичной ртутью, а отчасти из-за того, что его склонность к образованию оксидного слоя считалась негативной. Но в связи с растущим интересом к гибкой и особенно носимой электронике многие исследователи вновь обратили внимание на галлий.
Ученые превращают различные соединения на основе галлия в тонкие провода, вставленные между резиновыми или пластиковыми листами. Эти провода могут соединять небольшие электронные устройства, такие как компьютерные микросхемы, конденсаторы и антенны. В результате этого процесса создается устройство, которое можно обернуть вокруг руки и использовать, например, для отслеживания движения спортсмена, его скорости или основных показателей жизнедеятельности, говорит Кармел Маджиди, инженер-механик из Университета Карнеги-Меллона.
Эти провода и цепи из жидкого металла могут выдерживать значительные изгибы или скручивания. В качестве демонстрации Дики создал шнуры для наушников, которые могут растягиваться в восемь раз по сравнению с их первоначальной длиной, не ломаясь. Другие конструкции способны восстанавливать себя при разрыве – когда края соприкасаются друг с другом, жидкий металл стекается в единую структуру.
Схемы на основе галлия можно распечатать и нанести прямо на кожу в виде временной татуировки – такие «чернила» действуют как обычный электрод, используемый для мониторинга сердечной или мозговой активности. Такие «тату» более гибкие и прочные, чем существующие электроды, что делает их перспективными для длительного использования, говорит Маджиди, который создал подобную схему.
Способность жидкого металла изменять форму открывает другие потенциальные возможности, поскольку при этом меняется электрическое сопротивление. Пропуская небольшой ток через сетку галлиевых проводов, исследователи могут измерить, как материал скручивается, растягивается и сжимается.
Этот принцип можно применить для создания перчаток с датчиком движения для виртуальной реальности: если сетка из галлиевых проводов встроена в тонкую мягкую пленку внутри перчатки, компьютер может обнаружить изменение сопротивления, потому что пользователь трясет рукой.
Кроме того, электрический ток изменяет поверхностное натяжение галлия, позволяя ему поднимать и опускать свой вес. Это свойство может сделать его полезным в качестве мягкой роботизированной мышцы.
Таким образом, свойства галлия открывают новые принципы работы машин: вместо того, чтобы требовать вычислений, устройства действуют за счет простых реакций, основанных на изменении электрического сопротивления непосредственно в сети. Они могут быть сконструированы таким образом, что при нажатии, вытягивании или сгибании разных частей сетки активировались разные реакции. В качестве демонстрации Дики построил устройство, которое могло включать и выключать моторы или свет в зависимости от того, сколько материала прессуется.
Дики и Маджиди признают, что технология все еще находится на ранних стадиях и что их работы пока только показывают, как ее можно коммерциализировать. Но у галлия так много интересных свойств, что он обязательно пригодится в гибкой электронике и робототехнике, считают исследователи.