Мимикрирующий жидкий металл существует ли

Обновлено: 04.10.2024

Дабы что-то создать, нужно с чего-то начать. Современные технологии прошли долгий путь эволюции, как и любой биологический вид. Тысячи лет тому назад человек создал первое колесо, а сейчас по дорогам оживленных мегаполисов снуют автомобили, которые тяжело себе представить без этих самых колес. Отличие эволюции от технологического процесса заключается в наличии дикой идеи. Эволюция никогда не будет создавать то, в чем биологический вид не нуждается для своего выживания. Но вот наука порой отходит от этой тактики, создавая нечто совершенно ненужное, но от того не менее удивительное. Вдохновением для подобного рода творений, как показывает практика, часто становятся произведения научной фантастики как в литературном, так и в кинематографическом виде. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором ученые, вдохновленные кинолентой «Терминатор 2», решили разработать метод бесконтактного контроля жидкого металла. Удалось ли им воплотить в жизнь кошмар Сары Коннор, как работает данная методика, и где она может найти свое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В рамках бытового использования бесконтактные технологии являются не более чем удобством, а то и банальным баловством. В настольной лампе, включить которую можно взмахом руки вместо нажатия кнопки, нет особой необходимости. Однако сама идея такой футуристики на своем рабочем столе поднимает настроение.

Если же говорить про лаборатории и производственные комплексы, то бесконтактные методы манипулирования какими-либо объектами крайне важны, так как минимизируют вероятность этот объект повредить при классическом контакте. Вариантов воздействовать на объект без прямого контакта много: магнитный, акустический, оптический и т.д. Но, как говорят авторы исследования, до настоящего времени всегда были сложности с бесконтактным манипулированием свободно текущими жидкими потоками. Если точнее, то реализация четко контролируемых изменений направления или формы жидкости, особенно без нарушения формы поперечного сечения потока, является очень сложной задачей.

Мы бы не увидели множество изобретений, изменивших нашу жизнь, если бы «сложно» кого-то останавливало. А потому в данном труде ученые изучили бесконтактное манипулирование свободно текущими потоками жидких металлов (ЖМ или LM от liquid metal).

Особое внимание в последние годы привлекли жидкие металлы на основе галистана, сплава галлия (Ga), индия (In) и олова (Sn), так как проводники из этого материала обладают рядом привлекательных свойств: мягкость, растяжимость, низкая температура плавления, сохранение текучести и металлических свойств при комнатной температуре, низкая токсичность и т.д.

Изображение №1

Ученые отмечают, что LM сплавы на самом деле плохо подходят для формирования стабильных потоков жидкости из-за их огромного поверхностного натяжения и водоподобной вязкости, которые способствуют образованию капель (1A). Однако электрохимическое окисление поверхности LM в растворе основания* снижает эффективное натяжение LM до крайне низких значений.

Основание* — химическое соединение, способное образовывать ковалентную связь с протоном или с вакантной орбиталью другого химического соединения.

Такое электрохимическое манипулирование межфазным натяжением позволяет реализовать различные удивительные эффекты, такие как обратимая деформация, формирование рисунка, эффект пульсации, «сверхтекучее» проникновение через пористую среду и т.д. Что наиболее важно, присутствие оксидных частиц на LM также позволяет формировать длинные, стабильные потоки металла, когда он выходит из сопла и попадает в раствор (1B).

Ввиду цилиндрического поперечного сечения и металлической проводимости ученые назвали эти потоки LMW (от liquid metal wire), т.е. жидкими металлическими проводами. Толщина LMW составляет примерно 100-200 мкм.

Хотя обычно LM не реагирует на магнитные поля, ток, проходящий через провод для запуска электрохимических реакций, делает его восприимчивым к магнитным силам через силу Лоренца* (1C).

Сила Лоренца* — сила, с которой электромагнитное поле, согласно классической электродинамике, действует на точечную заряженную частицу.

В данном труде ученые смогли управлять перемещением свободно падающих LMW при комнатной температуре именно с помощью силы Лоренца. Поскольку LM мягкий, он почти не оказывает сопротивления подобному манипулированию и, следовательно, ускоряется в радиальном направлении.

Смещение LMW относительно магнита также индуцирует вторичную силу в соответствии с законом Ленца (т. е. силу сопротивления, противодействующую движению на периферии магнита). Таким образом, комбинированные эффекты силы Лоренца и закона Ленца превращают металл в формы, которые отражают окружность магнита при левитации металла. Таким образом, поведение LMW зависит от положения магнита относительно LMW.

Экспериментальная установка

Галинстан вводили в ванну с электролитом через иглу диаметром 0.26 мм при контролируемом потоке (2 и 4 мкл/с). Электроды, прикрепленные к игле шприца, прикладывали 1.5 В к металлу относительно отрицательного электрода. Расстояние между электродами составляло 5 см.

Все эксперименты проводились в растворе NaOH с концентрацией 1 моль/л, залитом в пластиковый сосуд 15х15х20 см (1D). Шприц оставался погруженным в раствор близко к стенке сосуда, чтобы находиться рядом с внешним магнитом, расположенным вровень с внешней стенкой. Положение иглы оставалось фиксированным.

Вертикальное положение (P_M) магнита определялось относительно фиксированного положения отверстия иглы. То есть, когда P_M = 0, центр магнита находится на той же вертикальной высоте, что и отверстие. Чтобы варьировать силу Лоренца и действие закона Ленца, магнит перемещали на P_M от +3 до -9 см (положительные значения означают, что магнит находится в приподнятом положении относительно отверстия).

Во время опытов напротив сосуда была расположена камера, которая вела видеофиксацию происходящего.

Результаты исследования

На 1E показаны результаты движения LMW при объемном расходе* 2 мкл/с, когда P_M изменялось от +3 до -3 см с интервалом в 1 см.

Объемный расход* — объем жидкости или газа, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени.

Когда положение магнита было центрировано по положению отверстия иглы (P_M = 0), LMW испытывал однородные силовые линии магнитного поля на выходе из сопла. Следовательно, он двигался по кругу под действием силы Лоренца (видео №1).

Однако при высоком P_M (+3 или +2 см) или низком P_M (-2 или -3 см) LMW испытывал «краевые» (т.е. расходящиеся) силовые линии из-за смещенного от центра магнита, а потому двигался по спирали.

Круговое движение LMW наблюдалось для P_M между +1 и -1 см, а спиральное — при других положениях магниты.

Объяснить эти траектории помог силовой анализ. На LMW должны действовать три основные силы: сила тяжести (G), сила Лоренца (F_L) и сила закона Ленца (F_Lenz). G ускоряет LMW вниз. F_Lenz — это сила сопротивления, вызванная изменениями магнитного потока по мере того, как металлический провод удаляется от или приближается к магниту. Сила Лоренца, определяемая формулой F_Lenz = B·I·L (B — напряженность магнитного поля, I — ток, L — длина LMW в магнитном поле), заставляет LMW отклоняться от своего прямого нисходящего пути при выходе из сопла. При этом вязкое сопротивление только рассеивает энергию и не определяет траекторию LMW.

На 1F показаны четыре типичные последовательности кадров (четыре этапа) временной эволюции спирали при P_M = 0.

На этапе 1 (S1 от stage 1) сила Лоренца направляет LMW наружу по часовой стрелке. На этом начальном этапе силой Ленца можно пренебречь, так как LM все еще находится в однородном поле магнита.

На этапе 2 (S2) LMW движется вблизи левого края магнита. В этом месте изменения магнитного потока самые большие, и, таким образом, LMW испытывает максимальную силу Ленца и уменьшенную силу Лоренца. Таким образом, его внешнее движение замедляется в этом месте. Тем не менее новый LMW продолжает выходить из сопла и находиться под контролем относительно большой силы Лоренца. Не стоит забывать, что речь идет о жидкости, которую выпускают через отверстие непрерывно, а потому в нижней части потока ситуация отличная от той, что наблюдается ближе к соплу.

На этапе 3 (S3) LMW почти огибает край магнита. Наконец, на этапе 4 (S4) LMW полностью огибает окружность магнита и примерно принимает его квадратную форму. Все четыре этапа повторялись несколько раз, чтобы создать несколько металлических петель по периметру магнита.

Суммируя, когда LMW только выходит из сопла, на него действует сила Лоренца, в то время как сила Ленца замедляет движение потока и останавливает его на уровне окружности магнита.

Учитывая важность силы Лоренца и закона Ленца, ученые решили детальнее изучить их влияние на поведение LMW. Ранее уже было отмечено, что сила Лоренца определяется по формуле F_Lenz = B·I·L (B — напряженность магнитного поля, I — ток, L — длина LMW в магнитном поле). А вот действие закона Ленца определяется скоростью изменения магнитного потока: ∂Ø_B / ∂t ～ B·v, где v — скорость (v = L/t) LMW. Следовательно, чтобы изучить влияние этих сил, можно было варьировать значения B и VFR (объемного расхода). На изображении ниже представлены результаты при всех протестированных вариантах VFR и P_M = 0.

Изображение №2

На 2A показана траектория LMW при VFR = 2 мкл/с и B = 0.1 Тл. Траектория представляет собой «поворотный полукруг», движущийся по часовой стрелке. То же происходит и для южного (S) полюса, направленного наружу, за исключением того, что LMW движется против часовой стрелки.

Увеличение VFR до 4 мкл/с при сохранении B = 0.1 Тл (2B) увеличивает длину LMW на одинаковый отрезок для всех стадий. Другими словами, увеличенная скорость потока уменьшает количество времени, необходимое для достижения каждой стадии. Например, LMW достиг стадии 4 через 0.62 секунды, тогда как при скорости потока 2 мкл/с требуется 0.87 секунды. Подобная картина наблюдалась и при увеличении магнитного поля до 0.2 Тл с сохранением скорости потока (2C и 2D).

При аппроксимации становится видно, что поведение LMW при 0.2 Тл аналогично поведению при 0.1 Тл при той же скорости потока (сравнение 2А и 2С). Это вполне ожидаемо, говорят ученые, так как эффект Лоренца (радиальное ускорение) и Ленца (радиальное замедление) линейно зависят от B. Это сходство становится очевидным при сравнении скоростей и диаметров LMW (2Е).

При VFR = 2 мкл/с скорость может достигать примерно 20 см/с за 0.7 секунды, а при VFR = 4 мкл/с скорость достигает 35 см/с всего за 0.45 секунды. Ускорение вызывает уменьшение диаметра провода (черные точки на 2E).

Согласно второму закону Ньютона (∂p/∂d = — ρ · ∂v/∂t, где ρ — плотность, а p — давление LMW) уменьшение диаметра приводит к увеличению скорости. Увеличение скорости приводит к дальнейшему уменьшению диаметра провода, вызывая дополнительное ускорение. Уменьшение диаметра провода соответствует его удлинению, что может еще больше увеличить силу Лоренца.

Изображение №3

В экспериментах, показанных на изображении №2, металл сразу же подвергается действию силы Лоренца при выходе из сопла, поскольку P_M = 0. Смещение магнита ниже по отношению к положению сопла позволяет изучить поведение LMW в рамках закона Ленца (изображение выше). Сила эффекта закона Ленца зависит от магнитного поля и скорости LMW.

Первым делом ученые запустили подачу металла через сопло без магнита, чтобы исследовать скорость LMW в зависимости от расстояния от сопла (вставка на 3A). Изначально LMW выходит из сопла в виде небольшого шарика, который гравитация вытягивает вниз, что приводит к формированию цилиндрической формы. Это ускорение приводит к тому, что ведущая бусинка достигает максимального значения ~25 см/с в положении -6 см от сопла. За пределами этого положения скорость LMW становится стабильной. Изменение скорости можно описать экспоненциальной функцией.

Теперь, имея в распоряжении профиль скорости LMW, ученые перемещали магнит в разные положения, чтобы исследовать роль скорости в поведении LMW. На 3A различные положения магнита отмечены как B (-4 см), C (-5 см), D (-6 см) и E (-9 см). На 3B-3E показаны траектории LMW для различных P_M (положений магнита).

При P_M = -4 см металлический провод совершает спиральное движение по часовой стрелке в небольшой области вблизи верхнего левого края магнита. Траектория становится больше при P_M = -5 см. Значительные изменения происходят при P_M = -6 см. В результате траектория LMW отлично повторяет ту же квадратную форму окружности магнита (видео №2).

То же самое наблюдается и при P_M = -9 см. Объясняется это тем, что при -9 см и -6 см достигается достаточный эффект закона Ленца, чтобы удержать жидкий металл на периферии магнита. А комбинация силы Лоренца и эффекта закона Ленца заставляет LMW вращаться по часовой стрелке.

Для демонстрации разнообразия форм, достижимых за счет этого эффекта, ученые провели несколько опытов с различными конфигурациями магнита при P_M = -6 см.

Роль магнита очевидна при его горизонтальном перемещении (3F и видео №3) с разной скоростью. Это показывает, что формирование паттерна (фигуры из LMW) может быть динамичным.

Кроме того, некоторые сложные формы можно реализовать с помощью двух магнитов, которые расположены в различных конфигурациях. Например, форма ∞ в конфигурации I (3G и видео №4) или форма числа 8 в конфигурации III (3I и видео №6).

LMW также может вращаться вокруг одного магнита, только меняя полюса север/юг (N/S), как в конфигурации II (3H и видео №5) и конфигурации IV (3J и видео №7).

Ученые создали жидкий металл, как в фильме «Терминатор-2» ⁠ ⁠

Как утверждают исследователи, металлическая масса может трансформироваться во что угодно. Об этом пишет журнал Additive Manufacturing.

Пу Чжан (Pu Zhang) – доцент кафедры машиностроения университета Бингемтона (Нью-Йорк) совместно со своими студентами Фангхангом Денгом (Fanghang Deng) и Куангом-Кха Нгуеном (Quang-Kha Nguyen), разработал то, что он назвал «первой жидкой металлической решеткой в мире». Изделие состоит из сплава Филдса, а по своим свойствам напоминает робота из жидкого металла из культового фильма 1991 года «Терминатор 2: Судный день». Сплав Филда — сплав висмута, индия и олова. Его главное свойство — металл становится жидким уже при температуре 62 °C. Для сравнения, температура плавления железа — 1 538 °C.

«Каркас оболочки контролирует общую форму и целостность. Мы потратили более полугода на разработку производственного процесса, потому что этот новый материал очень трудно обрабатывать», — рассказывает Пу Чжан.

Кроме того, созданы уже несколько прототипов, способных восстанавливать форму после нагревания до точки плавления. Разумеется, как и в фильме «Терминатор», ученые создали руку.

В твердом состоянии этот металл очень прочен и безопасен. Он может потерять форму при ударах, но возвращает ее при нагревании. А значит, его можно использовать повторно сколько угодно раз. По словам Пу Чжана, жидкий металл заинтересует космическую отрасль. В первую очередь за счет того, что конструкцию из жидкого металла можно упаковывать в относительно небольшие объемы. Такую технику можно использовать в открытом космосе — например, изготавливать антенны для спутников из жидкого металла, складывать в маленькие коробки, а разворачивать их только после выхода на орбиту.

Чжан в статье отмечает, что ученые мечтают создать целого робота из такого металла. Судного дня ученый не боится.

ух ты металл за счет распределения напряжении меняет форму, чудо блядь! Пусть покажет как он сжимает кисть, а этот дешевый фокус я вам на проволке повторю.

Придурки! Это не тот год!

Может я чего не понимаю, но разве прямое попадание солнечных лучей не должно расплавить такую антенну?

Короче - сетки из силиконовых трубок с легкоплавким металлом внутри.
Одной из них учёный изнасиловал журналиста.

Статья мало о чём говорит.
Самому сплаву (металл Филда) уже около четырёх лет. Сейчас же ученые решили отлить из него металлическую сетку и покрыть её снаружи резиной.
В итоге что имеем: в холоде сгибаем руку - металл удерживает новую форму. Нагреваем до 62 °C - металл плавится и резиновая оболочка распрямляется (как любая резиновая игрушка).
Вот более детальное фото, как эта структура вблизи выглядит.

Когда-то, лет 35-40 назад, перед кино показывали "журнал ". Запомнился сюжет о металле, восстанавливающем первоначальную форму при нагревании.

Хммм, то есть можно засунуть нагретый металл в замочную скважину, подождать пока остынет.

Вообще-то Т1000 состоял фактически из роя нанороботов, которые будучи ооооочень маленькими воспринимаются как металл

"Чжан в статье отмечает, что ученые мечтают создать целого робота из такого металла"
А можно ни надо?

Если я правильно понял, то здесь другой механизм - резиновая дилда, которая облита металлом. Гнется, но если нагреть до 60 градусов, то металл плавится, а дилда распрямляется.

Подумаешь Пу Чжан какуето хернню придумал

У нас Пу Ин до 31 режим ввел не выходя из бункера

Китайцам удалось передать 1 ТБ данных на 1 км за 1 секунду с помощью вихревых волн⁠ ⁠

По мнению китайских ученых, эта технология поможет Китаю стать лидером в мировой гонке технологий 6G.

Команда китайских ученых во главе с профессором Пекинского университета Чжана Чао заявила, что ей удалось достигнуть рекордной скорости передачи данных благодаря новой революционной технологии. По мнению ученых, эта технология поможет Китаю стать лидером в мировой гонке технологий 6G.

С помощью вихревых миллиметровых волн (чрезвычайно высокочастотных радиоволн с быстро меняющимся вращением) исследователи передали 1 ТБ данных на расстояние 1 км за 1 секунду, пишет South China Morning Post.

По словам профессора Чао, экспериментальная линия беспроводной связи, установленная в прошлом месяце на территории зимних Олимпийских игр в Пекине, может одновременно транслировать более 10 тыс. прямых видеопотоков высокой четкости. Вихревые волны, в отличие от всего, что было в радиосвязи прошлого века, добавили «новое измерение в беспроводную передачу».

Существующие мобильные устройства используют для связи электромагнитные волны, которые распространяются подобно ряби в пруду. Информация представлена в виде «верха и низа» этих волн, которые (с математической точки зрения) имеют только два измерения. Вихревая электромагнитная волна является трехмерной и напоминает торнадо. В этот вихрь (или момент импульса) можно закодировать дополнительную информацию, что позволит значительно увеличить пропускную способность связи.

Европейские ученые проводили эксперименты с вихревыми волнами еще в 1990-х годах. В 2020 году японской компании Nippon Telegraph and Telephone удалось добиться скорости передачи данных 200 Гб/с на расстояние более 10 метров.

Главным камнем преткновения является тот факт, что размер вихревой волны увеличивается по мере увеличения расстояния, а слабеющий сигнал усложняет передачу данных на высокой скорости.

Команда китайских ученых построила уникальный передатчик, способный генерировать более сфокусированный вихревой пучок, благодаря чему волны вращаются в трех разных режимах и могут содержат больше информации. Они также разработали высокопроизводительный приемник, способный принимать и декодировать большой объем данных за долю секунды.

По словам исследователя, специализирующегося на изучении технологий 6G в Шэньчжэне, эксперимент в Пекине может стать «началом революции» в телекоммуникационных технологиях.

Коммерческое развертывание 6G ожидается к 2030 году, но военные могут начать использовать ее раньше, поскольку эффективность для них важнее стоимости.

О жидком металле замолвите слово. Мысли об аппаратной и программной реализации Т-1000

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.

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).

Учёные на пути создания терминатора Т-1000 «Жидкий металл»

Дмитрий Турбин

Капли металла самостоятельно двигаются и меняют свою форму

Для своего эксперимента физики из Австралии использовали малотоксичный жидкий металл - галлий.

Изменение уровня кислотности, то есть концентрации раствора заставляет капли жидкого металла перемещаться в жидкости.

Исследователи пришли к выводу, что такие свойства и характеристики материала можно использовать при создании, например, трёхмерных объёмных проекторов (этакая объёмная 3D-голограмма).

Результаты исследования австралийцев приближают нас к созданию пластичных устройств, некоторые из принципов работы которых аналогичны тем, что лежат в основе устройства «жидкометаллического» терминатора Т-1000 (произвольно меняет форму, агрегатное сосотояние и мимикрирует под других существ).

В общем, героя одноимённого сиквела культового фильма режиссёра Джеймса Кэмерона («Терминатор»-2). Киноманы не расстраивайтесь! В крайнем случае создадут электронные схемы из жидкого металла, или ничего не создадут.

Что такое «электронные схемы»? Дело в том, что в наши дни электронная схема на жёсткой полупроводниковой подложке - краеугольный камень в фундаменте всего, что относится к классу современной электроники: например, компьютеры, смартфоны, планшетники, навигационные системы, всевозможные средства связи, и так далее. Кстати, даже ваши «микроволновка» и «стиралка» содержат в себе микросхемы.

Так вот, результаты исследования австралийских физиков позволяют предположить, что когда-то в будущем электронные микросхемы будут состоять из жидкого металлического сплава, чтобы, например, менять свою конфигурацию в случае необходимости.

Умные мужики из Мельбурнского королевского технологического университета задались целью создать металлический сплав, который будет обладать важным качественным свойством в пределах определённого интервала температур и давлений - будет «жидкостью» при комнатной температуре, способной менять форму и даже перемещаться в пространстве.

Думаю, рано или поздно, военные заинтересуются этой разработкой, чтобы создать реальный, а не киношный прототип Т-1000. Что мне представляется более вероятным - в будущем электронные компоненты будут как коты - бегать от хозяев по дому.

Как бы там ни было, команда исследователей из Австралии только начала свой путь к намеченной цели. Для своих изысканий они использовали галлий - малотоксичный жидкий металл.

Одна из особенностей этого материала - широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 31 и до 2200 °C). Также он не подвержен коррозии, т.е. не ржавеет как отцовские «Жигули», а также несильно окисляется, покрываясь патиной как микросхема в стиральной машине.

Температура плавления чистого галлия - 31 °C, так что «чистокровка» не совсем подходит для эксперимента, ведь он становится жидким при 30 °C, а это, скажем, не совсем «комнатный» показатель.

Чтобы мечты о Терминаторе сбылись, физики использовали один из сплавов галлия - галинстан, который обычно содержит 68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова.

Изменяя кислотность раствора (водородный показатель*), в которых были помещены капельки галинстана, они заставили их совершать «телодвижения» в растворе, а также менять свою форму, при этом капли не испытывали воздействие электрического или механического характера.

Словом, погружение капель галлия в раствор, в котором много ионов влечёт за собой их сильную деформацию, а ещё побуждает их к движению.

Водородный показатель - мера активности ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность.

Взяв за основу этот эффект, австралийцы создали гаджеты-демонстраторы: переключатели и помпы, которые перекачивают воду. Эти механические штуковины функционируют абсолютно автономно - капли металла совершают работу, а в движение их приводит «разность» составов раствора. На работу таких механизмов можно влиять, изменяя состав или концентрацию раствора, в котором находятся капли галинстана.

«В ходе ряда экспериментов нам удалось выяснить, что можно влиять на поведение сплава жидкого металла в растворе, не прибегая к использованию электромагнитных или механических «стимуляторов». Мы меняли концентрации кислот, оснований и солей в растворе, чтобы исследовать этот эффект. Пока точно неясно, как именно галинстан взаимодействует с окружающей его жидкостью, и что заставляет его перемещаться в пространстве», - прокомментировал профессор Курош Калантар-задэх (Kourosh Kalantar-zadeh), руководитель исследования.

Результаты изыскания, проведённого командой учёных под руководством профессора Калантар-задэха опубликованы в научном «глянце» Nature Communications. В этом журнале публикуются материалы научных исследований в области естественных наук, в частности по физике, химии, биологии и планетологии.

Ранее команда профессора провела похожее научное изыскание: тогда они исследовали процесс возникновения свободных электрических зарядов на поверхности капель «жидких» металлов, и как его можно использовать, чтобы заставить капли металла двигаться в нужном человеку направлении, выполняя полезную работу. Проще говоря, с мыслью о Терминаторе «разглядывали через лупу» статическое электричество на каплях галлия.

«Капельки» жидких металлов - сложный микромир: основная масса - металлическое ядро, проводящее ток, а также оболочка - тонкая плёнка, состоящая из оксида соответствующего металла. Именно этот внешний тонкий слой обладает полупроводниковыми свойствами.

Как полагает профессор Калантар-задэх, дальнейшие исследования «жидких» металлов, обладающих высокой электрической проводимостью в конечном итоге могут привести к созданию объёмных (трёхмерных) дисплеев и другой сложной, но пластичной электроники.

Профессор Калантар-задэх заключил: «В конце концов явления, описанные в нашем исследовании могут стать теоретическим базисом для разработки новых технологий, а это - первый шаг на пути создания гуманоидов принципиально иного типа, чем те, что уже существуют. Например, терминатор Т-1000, но более дружелюбный».

Читайте также: