Двигатель на жидком металле
Обновлено: 27.09.2024
Если вы — представитель моего поколения и еще помните, что такое «ждать неделю, пока будет этот фильм по РТР» — то, вероятно, вас в детстве тоже интересовал вопрос «Как уничтожить Т-1000». Еще в школе друг сказал мне: «Тебе показали первого Терминатора, чтобы ты понял второго». Сейчас уже не могу сказать с уверенностью, но, наверное, именно терминатор Т-1000 впервые подтолкнул меня к мысли о том, что химия – это надстройка над физикой, а серебристые ковкие и плавкие металлы на самом деле очень разные. Но Т-1000, конечно, не просто жидкий металл. Он воплощает, как минимум, три технологических вектора, о которых мы и поговорим ниже: 1) создание миметических полисплавов («mimetic polyalloy»), 2) химические, электропроводные и теплопроводные свойства жидкого металла, 3) роевая робототехника в экстремально миниатюрном представлении. В этой статье (и, надеюсь, в комментариях тоже) мы постараемся не вдаваться в натяжки и сюжетные ходы франшизы, которая, все-таки, является художественным произведением, а не техническим заданием – и обсудим, какие технологии из проекта Т-1000 по капельке перетекают в реальность.
Остается лишь догадываться, из чего именно состоял Т-1000, так как Т-800 в сцене у телефонной будки и по пути в психиатрическую клинику Пескадеро описывает эту машину Джону Коннору лишь в самых общих чертах. Т-1000 состоит из сплава с адаптивными свойствами, который может не только принимать разнообразную форму, но и имитировать живые ткани и синтетические вещества, а также регулировать собственную плотность и вязкость. Скорее всего, минимальная фундаментальная единица (капелька) Т-1000 очень невелика. Возможно, каждая молекула Т-1000 сохраняет способность к самоорганизации и свойства всей машины. Сам сплав Т-1000, вероятно, состоит из неблагородных (переходных?) металлов, не легирован вольфрамом, молибденом или рением, так как теряет мобильность и становится хрупким при температуре около −196 °C (жидкий азот):
Кроме того, в пятой серии франшизы «Терминатор: Генезис» показано, что Т-1000 хорошо горит не только в расплаве, как в «Терминатор: Судный день», но и в кислоте (кстати, Т-800 выставляет Т-1000 под кислотный дождь, при этом Т-1000 сгорает начисто, а рука Т-800 лишь немного дымится):
Образ Т-1000 помогает задуматься о двух технологических изысках: во-первых, об удивительной функциональной универсальности жидкого металла (или сплава) и, во-вторых, о пределах миниатюризации роботов, которые могли бы координировать свои действия по принципу роя, сближаясь при этом по свойствам с клеточной культурой. Кстати, небиологическая живая система, представляющая собой рой роботов, была описана еще в романе Лема «Непобедимый», но там она не клеточная, а состоит из макроскопических металлических «букашек», то есть ближе именно к рою, но не к сплаву. Молекулы Т-1000 явно проявляют своеобразное «чувство кворума», к которому я здесь еще вернусь. Но хватит пока фантастики; рассмотрим, какие результаты в производстве жидкометаллических сплавов достигнуты на настоящий момент.
Физические свойства и инженерный потенциал жидкого металла
Металлы, остающиеся в жидком состоянии при комнатной температуре, обладают некоторыми уникальными преимуществами. В частности, они могут менять морфологию и двигаться, если воздействовать на них различными энергетическими полями, например, электрическими, магнитными или менять градиент концентрации. При динамическом движении (которое кажется автономным) иногда даже легко поверить, что металл ведет себя как живой. Но кроме жидких металлических сплавов сейчас разрабатываются и другие функциональные жидкости, роль которых в различных дисциплинах становится все важнее. Функциональная жидкость – это среда с совсем иными свойствами, нежели молекулярный раствор (скажем, водный или органический), что позволит запустить новые механизмы синтеза функциональных материалов. Функциональные жидкости можно воспроизводить с высоким разрешением, если непосредственно «писать» ими или использовать в микроинъекциях, благодаря их замечательной текучести. Такие материалы могли бы легко самозалечиваться, чем очень пригодились бы при создании гибких роботов, и, в то же время, могли бы легко разбрызгиваться и снова собираться. Такая возможность была бы очень важна в биомедицинских контекстах, например, при доставке лекарств. Многие жидкометаллические вещества сосуществуют в твердом и жидком агрегатном состоянии, поэтому могли бы запасать энергию при таком фазовом переходе, что совершенно невозможно при работе с неизменно жесткими материалами. Основные классы веществ такого рода – это жидкие металлы, ионные жидкости и жидкие кристаллы.
Жидкие металлы (сплавы) – это новый класс материалов, состоящих из постпереходных металлов. Их сплавы имеют исключительно низкие точки плавления. Например, температура плавления галлия (Ga) составляет 29,8°C – то есть, он тает в руках. Первая научно-популярная книга Сэма Кина по химии называется «Исчезающая ложка» и отсылает именно к салонному химическому приколу XIX века. Галлий внешне похож на алюминий, поэтому, если изготовить из него чайную ложку, то в горячем чае она растворится. Но галлий остается в жидком состоянии при температуре до -80°C, если заливать его в специальные трубочки. Соответственно, галлий может использоваться в качестве наполнителя для точных термометров в очень широком диапазоне. На основе галлия можно получать сплавы, демонстрирующие уникальное фазоразделение, объясняемое разницей в температурах плавления компонентов этих сплавов. Если искусственно варьировать давление и насыщенность среды электронами, жидкие сплавы можно превращать в отличные растворы для реакций. Например, существует жидкий сплав галинстан или ингас (GaInSn), состоящий примерно из 68,5% галлия, 21,5% индия и 10% олова. При добавлении в него небольшого количества гадолиния (Gd) данная смесь спонтанно намагничивается и проявляет термомагнитные свойства. Подобные сплавы на основе галлия сочетают электромагнитные и теплопроводные свойства металла с текучестью, поэтому в будущем хорошо подошли бы для создания гибкой электроники, в частности, носимой — так как сплавы галлия биосовместимы и нетоксичны. Из явных недостатков галлиевых сплавов на Хабре отмечена несовместимость галлия с алюминием и плохая совместимость с медью, которые повсеместно применяются в приборостроении и электронике.
Галлиевые микромашины
Микро/наномоторы (MNMT) разрабатываются для выполнения тонких операций в микро- и наномасштабе, в частности, внутри человеческого тела. Кроме упомянутой выше доставки лекарств и другой полезной нагрузки, такие машины могут применяться при лечении опухолей, обеззараживании, точной хирургии. Применение подобных машин основано на преобразовании химической или физической энергии в кинетическую. Производительность MNMT в наибольшей степени зависит от собственных свойств того материала, из которых они изготовлены. Изначально большинство таких машин изготавливалось из золота, платины и металлических оксидов (ZnO, Cu2O), поскольку в пероксиде водорода им можно придать ускорение при помощи химического градиента. Но в биомедицине такое химическое топливо оказалось токсичным для человека, а сами машины – слишком жесткими и негибкими. Они легко повреждают и рвут тонкие канальцы, которые в организме повсюду. Для снижения токсичности и улучшения биосовместимости таких машин проектируются модели на основе полимеров и биогибридные машины. В целом такие модели нестабильны и быстро распадаются. Именно поэтому наилучшим компромиссным решением кажутся машины из жидкого металла.
При температуре, близкой к комнатной, в жидком состоянии находятся несколько металлов: цезий, точка плавления = 28.5 °C, франций = 27 °C, рубидий = 39.3 °C, ртуть = −38.8 °C и галлий 29.8 °C. При этом ртуть очень токсична, цезий и рубидий – слишком химически активные, а франций, к тому же, радиоактивен и встречается в следовых количествах. По сравнению со всеми этими веществами токсичность галлия минимальна, кроме того, его сплавы с индием и оловом стабильны с химической точки зрения. Особыми свойствами галлиевых сплавов, наряду с упомянутыми выше, являются фототермические и фотодинамические характеристики, а также реагирование на внешние стимулы и каталитические свойства. Поэтому из галлиевого сплава потенциально можно изготовить аппаратный аналог нейрона. Также такие машины могут применяться в микрогидродинамике, томографии, обнаружении раковых клеток, устранении сосудистой эмболии.
Но вернемся к тому, что управляемость галлия (а также его сплавов) повышается в узких трубочках. В таких ограниченных пространствах сплав остается в жидком состоянии, а также реагирует на магнитные и электрические воздействия, и даже на свет. Именно поэтому галлиевые сплавы перспективны для производства микромашин. В настоящее время одна из основных сложностей при проектировании таких устройств – добиться, чтобы они автономно двигались в узких каналах к месту назначения и по прибытии выполняли относительно сложные задачи, хотя бы доставку активного вещества. В таких каналах галинстановые микромашины двигались бы гораздо быстрее твердых аналогов и даже могли бы ускоряться и менять направление движения под действием магнитного поля. Чем уже канал, тем быстрее может двигаться в нем галинстановая машина; установлено, что такое явление обусловлено электроосмосом. В качестве сил, обеспечивающих движение жидкой микромашины в узком канале, известны, например, ускорение при помощи водородных пузырьков, давления, ионного градиента, ультразвука, ионного и магнитного поля. Доказано, что в щелочном растворе (NaOH) жидкометаллические галлиевые машины под действием электрического поля движутся к катоду. Их можно ускорить, если расширять каналы, по которым они движутся, и направлять, деформируя эти каналы нужным образом.
Тем не менее, такое движение не вполне полноценно, поскольку требует постоянного внешнего воздействия и осуществимо только в лабораторных условиях. Ситуация осложняется тем, что наноразмерные машины вынуждены преодолевать поверхностное натяжение жидкости, которое при их масштабах существенно ограничивает движение. Поэтому следующее поколение жидких наномашин должно не только самостоятельно извлекать энергию для движения, но и обрастать защитным слоем, который позволит им дольше функционировать в растворах с меняющимся кислотно-щелочным балансом.
Самодвижущиеся микромашины
Синтетические самопитаемые моторы, способные спонтанно преобразовывать химическую энергию в механическую активность, тем самым обеспечивая автономную локомоцию, отлично подошли бы для создания миниатюрных роботов с функциями сенсоров или детекторов. На основе галинстана сконструированы микродвигатели миллиметровых и сантиметровых размеров. Такие машины плавают в круглой чашке Петри либо в узких каналах с разной структурой, развивая скорость до нескольких сантиметров в секунду, причем сохраняют работоспособность до 1 часа без внешнего источника энергии. Металл легко деформируется и восстанавливает форму, но, кроме того, двигатель проявляет "биомиметические" свойства, сближающие его с моллюском. Подобно тому, как моллюск поглощает кремний, обрастая раковиной, галлий амальгамируется алюминием. Активность этого процесса зависит от нескольких факторов, в том числе, объема двигателя и содержания алюминия в растворе (для такого обрастания применяются растворы хлорида натрия или карбоната натрия). В щелочном растворе (например, гидроксида натрия) алюминиевый слой разъедается, выделяются пузырьки водорода, которые также обеспечивают движение микромашины. Тем не менее, в имеющихся на данный момент галлиевых микромашинах такое движение остается подобным броуновскому, то есть, неуправляемым. Чтобы придать нужный вектор такому движению, микромашины все-таки нужно направлять извне – например, при помощи лазера. Естественно, чтобы машина реагировала на лазер, в ней должны быть светочувствительные элементы. Комбинация галлиевых сплавов со светочувствительными соединениями, например, с диоксидом титана, подводит нас к следующему интересному аспекту: оказывается, жидкометаллическая поверхность может проявлять черты «аппаратного нейрона».
Тактильные жидкометаллические компоненты и мышцы для роботов
На основе жидкого металла робота можно оснастить светочувствительными и тактильными функциями. Так, показана возможность встроить в растяжимый силиконовый носитель сеть канальцев, наполненных жидким сплавом – и добиться, чтобы при нагревании этот материал менял цвет. Аналогичное изменение цвета происходит в ответ на механическое давление. Эта примитивная логика подобна той, по которой осьминог меняет цвет, реагируя на внешние раздражители. Кожа осьминога пронизана большим количеством нервов, и для него изменение окраски – это камуфляж; мягкий робот, в свою очередь, может менять цвет в зависимости от совершаемого действия. Доказано, что изменение цвета кожи у осьминога не регулируется мозгом; это именно реакция нейронов на входящий сигнал. Материалы, из которых изготавливаются мягкие роботы, электропроводимостью не обладают, а вот жидкометаллические капли – напротив, проводят как электричество, так и тепло. Галийсодержащая начинка может реагировать и на силу схвата, и на форму объекта, захваченного роботом. Можно уже на этапе изготовления детали для робота подмешать в полимер галлий-индиевый сплав. Исходно он концентрируется в виде капелек, но в ответ на механическое воздействие капли выстраиваются в сетку, подобно нейронам. Если в полимерном материале возникают трещины или дыры, то «нейронная сеть» спонтанно перегруппируется, и материал сохраняет электропроводимость. Более того, из жидкометаллического эластомера можно изготавливать мускулоподобные структуры, которые не только меняют и удерживают форму, необходимую для работы, но и при нагревании возвращаются в исходное состояние. Если воздействовать на галлиевую составляющую такого материала электричеством, то он меняет форму так, как того требует оператор.
Чувство кворума
Наконец, возвращаемся к замечанию о том, что жидкометаллические машины – это почти рой; они могут действовать слаженно, если обладают датчиками для этой цели. Многоагентные системы такого рода могут коллективно выполнять сложные задачи, в частности, что-нибудь строить или искать. Прямые и косвенные методы координации позволяют роботам обмениваться информацией, динамически подстраиваясь под меняющиеся ситуации. У такого поведения есть хорошо известный (микро)биологический аналог, так называемое «чувство кворума» в бактериальных пленках. Оказываясь в питательной среде или окружив конкретную клетку, бактерии обмениваются химическими сигналами, благодаря которым вся колония или биопленка решает общую задачу. Такой механизм межклеточной коммуникации позволяет каждой бактерии оценивать размер популяции (сколько нас тут) и действовать в соответствии с этой информацией.
Наноразмерные роботы, обладающие подобным роевым интеллектом, могли бы воспроизводить подобное поведение в точном производстве или медицине. Кстати, бактерии, объединенные чувством кворума, зачастую представляют дополнительную опасность, поэтому микробиология внимательно изучает как раз подавление этого механизма (quorum quenching). Рассмотрим, как перенести этот механизм на рой роботов, в частности, как аппаратно реализовать аналог сигнальных молекул (автоиндукторов).
Заключение
Здесь я не решусь фантазировать о том, какого размера могла бы быть минимальная капля Т-1000, обладающая всеми свойствами его полисплава и, соответственно, являющаяся полноценным роботом. Вероятно, это может быть связано с минимальными возможными размерами транзистора (об этом рассказано в статье, перевод которой может появиться в блоге @Sivchenko_translate). В любом случае, этот небольшой экскурс в физику жидкого металла хорошо сужает круг гипотез, объясняющих многие свойства Т-1000, в частности, его термическую и химическую слабость. Было бы интересно предположить, что эта модель могла бы быть легирована скандием или молибденом для приобретения достаточной тугоплавкости и остроты режущих кромок. Основное отличие большинства описанных образцов от Т-1000 – в том, что для их функционирования нужна среда-носитель, а энергетический запас жидкометаллического робота пока также оставляет желать лучшего (робот требует регулярной или постоянной подпитки). Сейчас я полагаю, что на примере Т-1000 мы видим аппаратную реализацию сложной нейронной сети и наноразмерного роя роботов одновременно, что лишний раз заставляет задуматься, куда способны завести нас наши технологии.
Двигатель из жидкого металла
Многим знаком образ робота из жидкого металла, придуманный создателями фильма "Терминатор 2", 1991 года выпуска. Как тогда, так и сейчас - это казалось просто полётом фантазии, причём слишком вольным для реализации на практике. И, тем не менее, то тут, то там - жидкий металл использовался самыми различными способами. Наконец, произошло невероятное - учёным удалось создать двигатель из жидкого металла!
Изобретение разработано в китайском университете Цинхуа (Tsinghua University). На данный момент, речь идёт о сгустке жидкого металла, обладающем целым рядом способностей: он может самостоятельно перемещаться по разработанной в лаборатории поверхности, и может менять форму, когда необходимо преодолеть препятствие.
Да, пока это ещё не Т-1000 из небезызвестного фильма, но уже сейчас просматриваются перспективы практического использования изобретения. Например, такие "капли" могли бы перевозить какой-нибудь крошечный груз, двигаясь сквозь тесные полости в стенах (как минимум, через просверленные отверстия). Гипотетически, они могли бы выполнять даже медицинские задачи, двигаясь в кровеносной системе, и выполняя доставку лекарственных препаратов.
Что же лежит в основе этой технологии? На данный момент, "двигатель" состоит, главным образом из галлия, индия и олова. Жидкая консистенция достигается благодаря свойствам галлия - при температуре +30 oC, он становится жидким. Именно этот материал составляет сейчас основу артефакта. Другая составляющая, но используемая в значительно меньшем количестве - алюминий. Именно он помогает осуществлять движение, вступая в химическую реакцию с веществом, нанесённым на стенки лабораторного "лабиринта". Но всё не настолько просто! Вкрапления алюминия распределены неравномерно, за счёт чего, электрические заряды внутри сгустка так же распределяются неравномерно, создавая дополнительную силу тяги. В какой-то степени, алюминий является топливом при движении.
В ходе лабораторных испытаний, было обнаружено одно интересное свойство сгустка. Двигаясь по специальным каналам, он повторял один и тот же путь. Учёным даже удалось найти способ практического применения данного эффекта - "двигатель" выступил в роли поршня в специально созданном мини-насосе. Этот насос перекачивал приблизительно 50 миллилитров воды в секунду, только лишь благодаря сгустку, которому хватало энергии и на это, и на простое движение.
Пока что, всё это выглядит достаточно скромно. Высказываются сомнения по поводу того, что на базе данной технологии можно создать что-то функциональное. Но у китайских учёных большие планы. Существует целая исследовательская программа, включающая в себя проекты роботов из жидкого металла, которые могут действовать самостоятельно, и менять форму. Удастся ли это осуществить на практике - покажет будущее.
Как спроектировать, построить и испытать малые жидкостные ракетные двигатели. Часть 1
В жидкостном ракетном двигателе используется жидкое топливо, которое под давлением подается из резервуаров в камеру сгорания. Смесь обычно состоит из жидкого окислителя и жидкого горючего. В камере сгорания топливо вступает в химическую реакцию (сгорает), образуя горячие газы, которые затем ускоряются и выбрасываются с большой скоростью через сопло, придавая тем самым двигателю импульс. Момент - это произведение массы и скорости. Сила тяги ракетного двигателя - это реакция, которую испытывает конструкция двигателя в результате выброса высокоскоростного вещества (газов).
Рисунок 1 Типичный ракетный двигатель
Типичный ракетный двигатель состоит из камеры сгорания, сопла и инжектора, как показано на рисунке 1. Камера сгорания - это место, где происходит сжигание топлива под высоким давлением. Камера должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать высокое давление, возникающее в процессе сгорания и высокую температуру. Из-за высокой температуры и теплопередачи камера и сопло обычно охлаждаются. Камера также должна быть достаточной длины, чтобы обеспечить полное сгорание до того, как газы попадут в сопло.
Рисунок 2 Форсунка ДеЛаваль
Функция сопла заключается в преобразовании химико-тепловой энергии, образующейся в камере сгорания, в кинетическую энергию. Сопло преобразует медленно движущийся газ высокого давления и температуры в камере сгорания в высокоскоростной газ более низкого давления и температуры. Поскольку тяга является произведением массы (количества газа, проходящего через сопло) и скорости, желательна очень высокая скорость газа. В ракетных соплах можно получить скорость газа от 1,5 до 3,7 километра в секунду. Сопла, в которых достигается этот удивительный результат, называются соплами ДеЛаваль (по имени их изобретателя) и состоят из сходящегося и расходящегося участков, как показано на рис. 2. Минимальная площадь потока между сходящимся и расходящимся участком называется поперечным сечением сопла. Область потока в конце расходящегося участка называется областью выхода сопла. Сопло обычно делается достаточно длинным (или площадь выхода достаточно велика), чтобы давление в камере сгорания на выходе из сопла уменьшилось до давления, существующего вне сопла. Если ракетный двигатель запускается на уровне моря, это давление составляет около 101,3 килопаскаля (кПа). Если двигатель предназначен для работы на большой высоте, то давление на выходе из сопла меньше 101,3 кПа. Падение температуры газов сгорания, проходящих через форсунку, велико и может достигать 1100-1600 °C. Поскольку газы в камере сгорания могут иметь температуру 2700-3200 °C, температура газа на выходе из сопла все равно составляет около 1600 °C.
Выбор топлива и его свойства
Выбор топлива
Жидкостные ракетные двигатели могут сжигать различные комбинации окислителей и топлива, некоторые из которых приведены в таблице I. Большинство из перечисленных комбинаций топлива опасны, токсичны и дороги. С другой стороны, любителю, создающему ракетные двигатели, требуется легкодоступное, достаточно безопасное, простое в обращении и недорогое топливо. Основываясь на опыте, ROCKETLAB рекомендует использовать газообразный кислород в качестве окислителя и углеводородную жидкость в качестве топлива. Они дают хорошие характеристики, пламя сгорания хорошо видно, а их высокая температура сгорания представляет собой адекватную конструкторскую задачу для строителя-любителя. Эти топлива используются в ракете Atlas и космическом ускорителе Saturn. Однако в этих системах в качестве окислителя используется жидкий, а не газообразный кислород.
Китайские ученые сделали двигатель для роботов из жидкого металла в стиле "Терминатора"
Если речь заходит о жидком металле и о предметах из него, способных менять свою форму, первое, что приходит на ум - это изображение робота-убийцы Т1000 из научно-фантастического боевика "Терминатор 2: Судный день". И если подобные роботы появятся в далеком или недалеком будущем, то для этого на свет должно появиться что-то, что будет приводить их в действие, своего рода двигатель, сделанный из того же жидкого металла. Нечто подобное продемонстрировали китайские ученые из университета Цинхуа (Tsinghua University), "прирученная" ими капля жидкого металла способна самостоятельно передвигаться по поверхности, покрытой специальным жидким составом и изменять при этом свою форму, проходя, к примеру, через узкие проходы.
И хотя этой капле еще очень и очень далеко до способностей изменять форму как робот-морф, у этой технологии уже сейчас просматривается масса различных применений, при помощи таких капель можно будет организовать доставку чего-либо куда-либо, к примеру, лекарственных препаратов по системе кровеносных сосудов живого организма.
Основу состава жидкого металла составляет галлий, который становится жидким при температуре в 30 градусов Цельсия, индий и олово. Получив равномерный расплав этих металлов, ученые добавили в него небольшую часть алюминия и "посадили" каплю на поверхность покрытую раствором гидроокиси натрия, хотя можно было обойтись и просто соленой водой. Алюминий вступил в химическую реакцию с раствором, в результате которой начали возникать крошечные пузыри, которые заставили двигаться вперед каплю жидкого металла.
Сила тяги такого необычного химического двигателя была увеличена за счет неравномерности распределения электрических зарядов между передней и задней частью капли. А причиной возникновения неравномерности и являлся крошечный кусочек алюминия, который является своего рода топливом для этого двигателя, и если он попадал на кромку капли, неравномерность электрических зарядов увеличивалась настолько, что капля начинала двигаться.
Капля жидкого металла была помещена на поверхность со сделанными на ней каналами и в этих условиях капля двигалась всегда по определенному пути. Этот эффект ученые использовали для создания мини-насоса, поршнем которого и выступала капля жидкого металла. Энергии капли-двигателя-поршня хватало не только для обеспечения движения самой капли, но и для того, чтобы перекачивать около 50 миллилитров воды в секунду.
Все эти эксперименты были проведены китайскими учеными в рамках исследовательской программы, целью которой является создание роботов, которые могут изменять свою форму и передвигаться самостоятельно. А станет ли когда-нибудь в будущем эта капля прототипом бесчувственного робота-убийцы, может показать только время.
Жидкий металл заставили двигаться
Капли жидкого металла, сплав галинстан. Фото: Мельбурнский королевский технологический университет
Благодаря изобретению учёных из Мельбурнского королевского технологического университета (Австралия) в будущем человечество сможет сконструировать нечто похожее на модель T-1000 из фильма «Терминатор-2»: 3D-модель гуманоида из металла, который принимает заданную форму. Нужно только сделать эту модель более программируемой и послушной, разумеется.
Жидкий движущийся металл способен совершить маленькую революцию в электронике — с его помощью электронные цепи меняют свою конфигурацию по команде и работают словно живые организмы, где клетки двигаются и обмениваются информацией друг с другом, мечтают учёные.
Самодвижущийся жидкий металл разработан группой учёных под руководством профессора Куроша Калантар-заде (Kourosh Kalantar-zadeh). Суть изобретения — в химическом составе раствора, в котором движутся капли. Меняя кислотность и ионный состав (электрический заряд) раствора, исследователи могут управлять движением металлических капель в трёх измерениях.
На иллюстрации схематично показана экспериментальная установка, которую использовали учёные (b): два канала в форме букв U из полиметилметакрилата, то есть органического стекла. Они проходят параллельно друг другу и соединяются на выходе (outlet на схеме). Два канала несут разные типы электролитов, которые представлены на схеме разными цветами: кислотная среда — жёлтым, а щелочная — синим. Два параллельных потока контактируют через каплю жидкого галинстана диаметром 3 мм. Реальные фотографии экспериментальной установки показаны внизу.
Галинстан — сплав, которые состоит на 68,5% из галлия, на 21,5% из индия и на 10% из олова. Заявленная температура плавления металла составляет 19°C, но может быть уменьшена ниже 0°C (правообладатель Geratherm Medical AG не раскрывает метод понижения температуры плавления, но такой метод точно существует). Основное применение галинстана — замена ртути в некоторых областях, в первую очередь, в бытовых термометрах.
Капли галинстана движутся в зависимости от концентрации HCl и NaOH в растворе. На следующей диаграмме показано влияние на металл эффекта Марангони — разновидности конвекции, переноса вещества вдоль границы раздела двух сред, возникающее вследствие наличия градиента поверхностного натяжения.
Диаграммы внизу показывают степень деформации капли, в зависимости от концентрации HCl и NaOH в растворах.
Простое изменение химического состава растворов заставляет капли металла двигаться и изменять свою форму, без какого-либо дополнительного внешнего воздействия, механического или электрического.
«Используя это открытие, мы смогли создать движущиеся объекты, переключатели и насосы, которые могут работать автономно — это самодвижущиеся жидкие металлы, которые движутся в зависимости от состава окружающей жидкости, — говорит профессор Калантар-заде. — В конце концов, используя фундаментальные основы этого открытия, может стать возможным построение 3D жидкого металлического гуманоида с программируемой формой».
Если говорить более реально, то учёные предполагают, что управляемый подвижный жидкий металл может найти применение в различных электронных устройствах, таких как гибкие электронные 3D-дисплеи и медицинские диагностические сенсоры, которые меняют свою конфигурацию по команде.
Научная работа «Ionic imbalance induced self-propulsion of liquid metals» опубликована 4 августа 2016 года в открытом доступе в журнале Nature Communications (2016; 7: 12402 doi: 10.1038/ncomms12402).
Читайте также: