Un metal líquido es un metal o una aleación de metal que es líquido a temperatura ambiente o cerca de ella . [1]
El único metal elemental líquido estable a temperatura ambiente es el mercurio (Hg), que se funde por encima de los -38,8 °C (234,3 K, -37,9 °F). Otros tres metales elementales estables se funden justo por encima de la temperatura ambiente: el cesio (Cs), que tiene un punto de fusión de 28,5 °C (83,3 °F); el galio (Ga) (30 °C [86 °F]); y el rubidio (Rb) (39 °C [102 °F]). El metal radiactivo francio (Fr) probablemente también sea líquido cerca de la temperatura ambiente. Los cálculos predicen que los metales radiactivos copernicio (Cn) y flerovio (Fl) también deberían ser líquidos a temperatura ambiente. [2]
Las aleaciones pueden ser líquidas si forman un eutéctico , lo que significa que el punto de fusión de la aleación es más bajo que el de cualquiera de los metales constituyentes de la aleación. El metal estándar para crear aleaciones líquidas solía ser el mercurio , pero las aleaciones a base de galio , que tienen una presión de vapor a temperatura ambiente y una toxicidad más bajas, se están utilizando como reemplazo en varias aplicaciones. [3] [4]
Los sistemas de aleación que son líquidos a temperatura ambiente tienen una conductividad térmica muy superior a la de los líquidos no metálicos comunes, [5] lo que permite que el metal líquido transfiera eficientemente energía desde la fuente de calor al líquido. También tienen una conductividad eléctrica más alta que permite bombear el líquido de manera más eficiente mediante bombas electromagnéticas. [6] Esto da como resultado el uso de estos materiales para aplicaciones específicas de conducción y/o disipación de calor.
Otra ventaja de los sistemas de aleación líquida es su alta densidad inherente.
La viscosidad de los metales líquidos puede variar mucho dependiendo de la composición atómica del líquido, especialmente en el caso de las aleaciones. En particular, la dependencia de la temperatura de la viscosidad de los metales líquidos puede variar desde la dependencia estándar de la ley de Arrhenius hasta una dependencia mucho más pronunciada (no Arrhenius) como la dada empíricamente por la ecuación de Vogel-Fulcher-Tammann . También se desarrolló un modelo físico para la viscosidad de los metales líquidos, que captura esta gran variabilidad en términos de las interacciones interatómicas subyacentes. [7]
La resistencia eléctrica de un metal líquido se puede estimar mediante la fórmula de Ziman, que da la resistencia en términos del factor de estructura estática del líquido, tal como se puede determinar mediante mediciones de dispersión de neutrones o rayos X.
Una vez que se han eliminado los óxidos de la superficie del sustrato, la mayoría de los metales líquidos humedecerán la mayoría de las superficies metálicas. A temperatura ambiente, los metales líquidos suelen ser reactivos y solubles en las superficies metálicas, aunque algunos metales sólidos son resistentes al ataque de los metales líquidos comunes. [8] Por ejemplo, el galio es corrosivo para todos los metales excepto el tungsteno y el tantalio , que tienen una alta resistencia a la corrosión, más que el niobio , el titanio y el molibdeno . [9]
Al igual que el indio , el galio y las aleaciones que contienen galio tienen la capacidad de humedecer muchas superficies no metálicas, como el vidrio y el cuarzo . Frotar suavemente la aleación sobre la superficie puede ayudar a inducir la humectación. Sin embargo, esta observación de "humectación al frotar la superficie del vidrio" ha creado una idea errónea ampliamente difundida de que los metales líquidos a base de galio humedecen las superficies de vidrio, como si el líquido se liberara de la película de óxido y humedeciera la superficie. La realidad es la opuesta: el óxido hace que el líquido humedezca el vidrio. En más detalles: a medida que el líquido se frota y se extiende sobre la superficie del vidrio, el líquido se oxida y recubre el vidrio con una fina capa de residuos de óxido (sólidos), sobre los que se humedece el metal líquido. En otras palabras, lo que se ve es un metal líquido a base de galio humedeciendo su óxido sólido, no vidrio. Aparentemente, el concepto erróneo anterior fue causado por la oxidación súper rápida del galio líquido incluso en una cantidad mínima de oxígeno, es decir, nadie observó el verdadero comportamiento de un galio líquido sobre vidrio, hasta que la investigación en la UCLA desacreditó el mito anterior al probar Galinstan , una aleación a base de galio que es líquida a temperatura ambiente, en un entorno libre de oxígeno. [10] Nota: Estas aleaciones forman una fina capa de óxido de aspecto opaco que se dispersa fácilmente con una agitación suave . Las superficies libres de óxido son brillantes y lustrosas.
Debido a sus excelentes características y métodos de fabricación, los metales líquidos se utilizan a menudo en dispositivos portátiles, dispositivos médicos, dispositivos interconectados, etc. [3] [4]
Los usos típicos de los metales líquidos incluyen termostatos , interruptores , barómetros , sistemas de transferencia de calor y diseños de enfriamiento y calefacción térmicos . [11] Excepcionalmente, se pueden utilizar para conducir calor y/o electricidad entre superficies metálicas y no metálicas.
El metal líquido se utiliza a veces como material de interfaz térmica entre los refrigeradores y los procesadores debido a su alta conductividad térmica. La consola de videojuegos PlayStation 5 utiliza metal líquido para ayudar a enfriar las altas temperaturas en el interior de la consola. [12] Los reactores refrigerados por metal líquido también los utilizan.
El metal líquido se puede utilizar para dispositivos portátiles [4] [3] y para piezas de repuesto. [13]
El metal líquido puede utilizarse a veces para aplicaciones biológicas, es decir, para fabricar interconexiones que se flexionen sin fatigarse. Como el galinstan no es particularmente tóxico, los cables fabricados con silicona con un núcleo de metal líquido serían ideales para marcapasos intracardíacos e implantes neuronales en los que el delicado tejido cerebral no puede tolerar un implante sólido convencional. De hecho, un cable fabricado con este material puede estirarse hasta 3 o incluso 5 veces su longitud y seguir conduciendo electricidad, volviendo a su tamaño y forma originales sin pérdida. [14]
Debido a su combinación única de alta tensión superficial y deformabilidad fluídica , se ha descubierto que los metales líquidos son un material notable para crear actuadores suaves . [15] [16] [17] Los mecanismos de generación de fuerza en los actuadores de metal líquido se logran típicamente mediante la modulación de su tensión superficial. [18] [19] [20] Por ejemplo, una gota de metal líquido se puede diseñar para unir dos partes móviles (por ejemplo, en sistemas robóticos ) de tal manera que genere contracción cuando aumenta la tensión superficial. [21] Los principios de contracción similar a la de los músculos en los actuadores de metal líquido se han estudiado por su potencial como un músculo artificial de próxima generación que ofrece varias ventajas específicas de los líquidos sobre otros materiales sólidos. [22]
Los telescopios de espejo líquido pueden utilizar metales líquidos formados en una parábola a través de un tanque giratorio para servir como espejo primario de un telescopio reflector . [23]
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