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 -38,8 °C (234,3 K, -37,9 °F). Tres metales elementales más 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); galio (Ga) (30 °C [86 °F]); y rubidio (Rb) (39 °C [102 °F]). El metal radiactivo francio (Fr) probablemente también sea líquido a temperatura ambiente. Los cálculos predicen que los metales radiactivos copernicio (Cn) y flerovium (Fl) también deberían estar 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 menor presión de vapor a temperatura ambiente y toxicidad, se están utilizando como reemplazo en diversas aplicaciones. [3] [4]
Los sistemas de aleaciones que son líquidos a temperatura ambiente tienen una conductividad térmica muy superior a la de los líquidos no metálicos ordinarios, [5] lo que permite que el metal líquido transfiera energía de manera eficiente desde la fuente de calor al líquido. También tienen una mayor conductividad eléctrica 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 aleaciones líquidas 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 viscosidad de los metales líquidos con la temperatura 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] [8]
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, que puede determinarse 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 mojarán 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. [9] 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 . [10]
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 en la superficie puede ayudar a inducir la humectación. Sin embargo, esta observación de "mojar frotando la superficie del vidrio" ha creado una idea errónea ampliamente extendida de que los metales líquidos a base de galio mojan las superficies del vidrio, como si el líquido se liberara de la capa de óxido y mojara la superficie. La realidad es la contraria: el óxido hace que el líquido moje 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 cubre el vidrio con una fina capa de residuos de óxido (sólidos), sobre los cuales se moja 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, la idea errónea anterior fue causada por la oxidación súper rápida del galio líquido incluso en una pequeña cantidad de oxígeno, es decir, nadie observó el verdadero comportamiento del galio líquido sobre vidrio, hasta que una investigación en la UCLA desacreditó el mito anterior mediante pruebas. Galinstan , una aleación a base de galio que es líquida a temperatura ambiente, en un ambiente libre de oxígeno. [11] Nota: Estas aleaciones forman una fina capa de óxido de aspecto opaco que se dispersa fácilmente con una suave agitación . 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 calefacción y refrigeración térmica. [12] Excepcionalmente, se pueden utilizar para conducir calor y/o electricidad entre superficies metálicas y no metálicas.
A veces se utiliza metal líquido como material de interfaz térmica entre refrigeradores y procesadores debido a su alta conductividad térmica. La consola de videojuegos PlayStation 5 utiliza metal líquido para ayudar a enfriar las altas temperaturas dentro de la consola. [13] Los reactores refrigerados por metal líquido también los utilizan.
El metal líquido se puede utilizar para dispositivos portátiles [4] [3] y repuestos. [14]
En ocasiones, el metal líquido se puede utilizar para aplicaciones biológicas, es decir, para hacer interconexiones que se flexionen sin fatiga. Como Galinstan no es particularmente tóxico, los cables hechos de silicona con un núcleo de metal líquido serían ideales para marcapasos intracardíacos e implantes neuronales donde el delicado tejido cerebral no puede tolerar un implante sólido convencional. De hecho, un cable construido con este material se puede estirar hasta 3 o incluso 5 veces su longitud y aún así conducir electricidad, volviendo a su tamaño y forma originales sin pérdida. [15]
Debido a su combinación única de alta tensión superficial y deformabilidad fluídica , se ha descubierto que los metales líquidos son un material extraordinario para crear actuadores blandos . [16] [17] [18] Los mecanismos generadores de fuerza en los actuadores de metal líquido generalmente se logran mediante la modulación de su tensión superficial. [19] [20] [21] Por ejemplo, se puede diseñar una gota de metal líquido para unir dos partes móviles (por ejemplo, en sistemas robóticos ) de tal manera que genere contracción cuando aumenta la tensión superficial. [22] Los principios de contracción similar a los músculos en actuadores de metal líquido se han estudiado por su potencial como músculo artificial de próxima generación que ofrece varias ventajas específicas de los líquidos sobre otros materiales sólidos. [23]
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