Composites ressemblant à du mastic de gallium métal avec un potentiel d’application dans le monde réel –

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  • Le gallium est un élément très utile qui a accompagné l’avancement de la civilisation humaine tout au long du XXe siècle. Le gallium est désigné comme un élément technologiquement critique, car il est essentiel pour la fabrication de semi-conducteurs et de transistors. Notamment, le nitrure de gallium et les composés associés ont permis la découverte de la LED bleue, qui a été la clé finale dans le développement d’un système d’éclairage LED blanc économe en énergie et durable. Cette découverte a conduit à l’attribution du prix Nobel de physique 2014. On estime que jusqu’à 98% de la demande de gallium provient de l’industrie des semi-conducteurs et de l’électronique.

    En plus de son utilisation en électronique, les propriétés physiques uniques du gallium ont conduit à son utilisation dans d’autres domaines. Le gallium lui-même est un métal avec un point de fusion très bas et est un liquide juste au-dessus de la température ambiante (30 ° C). En outre, le gallium est capable de former plusieurs systèmes eutectiques (alliages qui ont un point de fusion plus bas que n’importe lequel de ses constituants, y compris le gallium) avec un certain nombre d’autres métaux. Le gallium pur et ces alliages métalliques liquides à base de gallium ont une tension superficielle élevée et sont considérés comme “non étalables” sur la plupart des surfaces. Cela les rend difficiles à manipuler, à façonner ou à traiter, ce qui limite leur potentiel d’application dans le monde réel. Cependant, une découverte récente peut avoir débloqué la possibilité d’une utilisation plus large du gallium dans le domaine des matériaux fonctionnels.

    Une équipe de recherche du Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) au sein de l’Institute for Basic Science (IBS) à Ulsan, Corée du Sud et de l’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) a inventé une nouvelle méthode pour incorporer des particules de charge dans un liquide gallium pour créer des composites fonctionnels de métal liquide. L’incorporation de charges transforme le matériau d’un état liquide en une forme pâteuse ou semblable à du mastic (avec une consistance et un «toucher» similaires au produit commercial «Plasticine») en fonction de la quantité de particules ajoutées. Dans le cas où l’oxyde de graphène (GO) a été utilisé comme matériau de remplissage, une teneur en GO de 1,6 à 1,8% a donné une forme pâteuse, tandis que 3,6% était optimal pour la formation de mastic. Une variété de nouveaux composites de gallium et le mécanisme de leur formation sont décrits dans un article récent publié dans la revue Progrès scientifiques.

    Le mélange de particules à l’intérieur du métal liquide à base de gallium modifie les propriétés physiques du matériau, ce qui permet une manipulation beaucoup plus facile. Le premier auteur Chunhui Wang note: “La capacité des composites de gallium liquides à former des pâtes ou des mastics est extrêmement bénéfique. Elle supprime la plupart des problèmes de manipulation du gallium pour les applications. Il ne tache plus les surfaces, il peut être enduit ou” peint “sur presque toutes les surfaces, il peut être moulé dans une variété de formes. Cela ouvre une grande variété d’applications pour le gallium jamais vu auparavant. ” L’application potentielle de cette découverte comprend des situations dans lesquelles des composants électroniques souples et flexibles sont nécessaires, comme dans les dispositifs portables et les implants médicaux. L’étude a même montré que le composite peut être façonné en un matériau poreux ressemblant à de la mousse avec une résistance à la chaleur extrême, avec la capacité de résister à un chalumeau pendant 1 minute sans subir de dommages.

    Dans cette étude, l’équipe a pu identifier les facteurs qui permettraient aux charges de se mélanger avec succès avec du gallium liquide. L’auteur co-correspondant Benjamin Cunning a décrit les conditions préalables: «Le gallium liquide développe une« peau »d’oxyde lorsqu’il est exposé à l’air, ce qui est crucial pour le mélange. Cette peau recouvre la particule de remplissage et la stabilise à l’intérieur du gallium, mais cette peau est résiliente. Nous avons appris que des particules d’une taille suffisamment grande doivent être utilisées, sinon le mélange ne peut pas se produire et un composite ne peut pas être formé. “

    Les chercheurs ont utilisé quatre matériaux différents comme charges dans leur étude: l’oxyde de graphène, le carbure de silicium, le diamant et le graphite. Parmi ceux-ci, deux d’entre eux en particulier présentaient d’excellentes propriétés lorsqu’ils étaient incorporés au gallium liquide: l’oxyde de graphène réduit (rG-O) pour le blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI) et les particules de diamant pour les matériaux d’interface thermique. Un revêtement épais de 13 microns de composite Ga / rG-O sur un film d’oxyde de graphène réduit a pu améliorer l’efficacité de blindage du film de 20 dB à 75 dB, ce qui est suffisant pour les applications commerciales (> 30 dB) et militaires (> 60 dB). Cependant, la propriété la plus remarquable du composite était sa capacité à fournir une propriété de blindage EMI à tout matériau courant de tous les jours. Les chercheurs ont démontré qu’un revêtement similaire de 20 microns d’épaisseur de Ga / rG-O appliqué sur une simple feuille de papier donnait une efficacité de blindage de plus de 70 dB.

    Le plus excitant a peut-être été la performance thermique lorsque des particules de diamant ont été incorporées dans le matériau. L’équipe du CMCM a mesuré les conductivités thermiques en collaboration avec les chercheurs de l’UNIST Dr. Shalik Joshi et le professeur KIM Gun-ho, et les expériences d’application «dans le monde réel» ont été menées par LEE Seunghwan et le professeur LEE Jaeson. L’expérience de conductivité thermique a montré que le composite contenant du diamant avait des conductivités thermiques en vrac allant jusqu’à ~ 110 W · m-1 K-1, avec des particules de charge plus grosses donnant une plus grande conductivité thermique. Cela dépassait la conductivité thermique de la pâte thermique disponible dans le commerce (79 W m-1 K-1) de plus de 50%. L’expérience d’application a en outre prouvé l’efficacité du mélange gallium-diamant comme matériau d’interface thermique (TIM) entre une source de chaleur et un dissipateur thermique. Fait intéressant, le composite avec des particules de diamant de plus petite taille a montré une capacité de refroidissement dans le monde réel supérieure malgré une conductivité thermique inférieure. La raison de cet écart est due au fait que les plus grosses particules de diamant ont plus tendance à faire saillie à travers le gallium en vrac et à créer des espaces d’air à l’interface du dissipateur thermique ou de la source de chaleur et du TIM, réduisant son efficacité. (Ruoff note qu’il existe probablement des moyens de résoudre ce problème à l’avenir.)

    Enfin, le groupe a même créé et testé un composite constitué d’un mélange de gallium métal et de mastic silicone commercial – mieux connu sous le nom de “Silly Putty” (Crayola LLC). Ce dernier type de composite contenant du gallium est formé par un mécanisme entièrement différent, qui implique de petites gouttelettes de gallium étant dispersées dans le Silly Putty. Bien qu’il n’ait pas l’impressionnante capacité de blindage EMI du Ga / rG-O mentionné ci-dessus (le matériau nécessite 2 mm de revêtement pour obtenir la même efficacité de blindage de 70 dB), il est compensé par des propriétés mécaniques supérieures. Étant donné que ce composite utilise un polymère de silicone plutôt que du gallium métal comme matériau de base, il est extensible en plus d’être malléable.

    Le professeur Rod Ruoff, directeur du CMCM qui a conçu l’idée de mélanger de telles charges de carbone avec des métaux liquides note: «Nous avons soumis ce travail pour la première fois en septembre 2019, et il a subi quelques itérations depuis. Nous avons découvert qu’une grande variété de particules peuvent être incorporées dans du gallium liquide et ont fourni une compréhension fondamentale de la façon dont la taille des particules joue un rôle dans le mélange réussi. Nous avons constaté que ce comportement s’étend aux alliages de gallium qui sont des liquides à des températures inférieures à la température ambiante, comme l’indium-gallium, l’étain-gallium et indium-étain-gallium. Les capacités de nos collaborateurs UNIST ont démontré des applications exceptionnelles pour ces composites, et nous espérons que notre travail en inspirera d’autres à découvrir de nouvelles charges fonctionnelles aux applications passionnantes. “

    Source de l’histoire:

    Matériaux fourni par Institut des sciences fondamentales. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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