Жидкий металл при комнатной температуре это

Обновлено: 05.07.2024

непрозрачные жидкости, обладающие большими теплопроводностью и электропроводностью, а также др. св-вами, характерными для тв. металлов. Ж. м. явл. все расплавл. металлы и сплавы металлов с рядом металлидов. Нек-рые полуметаллы и полупроводники после плавления становятся Ж. м.: одни — сразу после плавления (Ge, Si, CaSb и др.), другие — при нагревании выше температуры плавления (сплав Fe—Se, PbFe, PbSe, ZnSb и др.). Нек-рые неметаллы (Н, Р, С, В) становятся Ж. м. при высоких давлениях. При атм. давлении и комнатной темп-ре жидким металлом является лишь ртуть (темп-pa плавления -38,9°С).

Носители заряда в Ж. м.— электроны. Для чистых металлов электропроводность при плавлении уменьшается примерно вдвое и при дальнейшем нагревании убывает линейно с темп-рой. Исключение составляют двухвалентные Ж. м.— их электропроводность при повышении темп-ры проходит через минимум. Термоэдс скачком меняется при плавлении, и для многих Ж. м. она пропорц. абс. темп-ре. Коэфф. Холла R (см. ХОЛЛА ЭФФЕКТ) для Ж. м.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

- непрозрачные жидкости с электропроводностью s/5.10 5 См. -1 . Ж. м. являются расплавы металлов, их сплавов, ряда интерметаллических соединений, полуметаллов и нек-рых полупроводников. Металлы с плотной кубич. или гексагональной упаковкой атомов (Al, Au, Pb, Cd, Zn и др.) плавятся с сохранением типа упаковки атомов и характера межатомных связей. Значение первого координационного числа при этом уменьшается при повышении темп-ры расплава. Кратчайшее межатомное расстояние изменяется мало и может быть как больше, так и меньше соответствующего значения для кристалла. Размеры областей упорядоченного расположения атомов в. расплавах металлов (вблизи точки плавления) ~20Е для Fe, 13Е и 15Е для К и Au.Переход нек-рых полупроводников (Ge, Si, A III B V , Те) и полуметаллов (Sb, Bi) в жидкометаллич. состояние сопровождается разрушением гомеополярных Межатомных связей при плавлении и дальнейшем нагреве расплава. В этом случае для окончат. структуры расплава характерны преим. октаэдрич. координация ближайших соседей, большие (в 1,5-2 раза), чем в кристалле, значения первого координац. числа и кратчайшего межатомного расстояния (на 10-20%).Вязкость Ж. м. в непосредств. близости к Т пл аномально высока, что наиб. заметно в расплавах Ge, Si, A III B V и др. Это объясняется явлением предкристаллизации (предплавления), но не исключено влияние примесей. Около Т пл наблюдается также аномально высокая теплоёмкость расплавов щелочных металлов и InSb, к-рая отсутствует в жидком Hg.Носители заряда в Ж. м. - электроны. При плавлении металлов с плотной упаковкой атомов уд. электросопротивление металлов увеличивается примерно в 2 раза, для металлов с объёмноцентрир. кубич. структурой - в 1,5 раза. Это не имеет места для Fe, Co, Ni. Температурный коэф. электросопротивления металлов I группы периодич. системы элементов в твёрдом и жидком состояниях почти одинаков. Для Ж. м. II группы он изменяется в жидкой фазе от отрицат. значения (Mg) к положительному (Hg).Коэф. Холла R при плавлении изменяется (см. Гальваномагнитные явления, Холла эффект); для Ж. м. RДруде теория металлов). Изменения теплопроводности при плавлении металлов сходны с изменениями электропроводности. Большую часть теплового потока в Ж. м. переносят электроны, а решёточная (фононная) теплопроводность мала. Количеств. оценка электро- и теплопроводности Ж. м. затруднена, т. к. теория кинетич. электронных процессов в жидкостях имеет качеств. характер и ещё не завершена. Термоэдс Ж. м. - линейная ф-ция темп-ры и состава, но известны отклонения от этого правила в системах Hg-In, Т1-Те и др. пл применяются в качестве вакуумных затворов при получении высокого вакуума. Лит.: Ашкрофт Н., Жидкие металлы, пер. с англ., "УФН", 1970, т. 101, в. 3; Б е л а щ е н к о Д. К., Явление переноса в жидких металлах и полупроводниках, М., 1970; М а р ч Н. Г., Жидкие металлы, пер. с англ., М., 1972; Мотт Н.,Дэвис Э., Электронные процессы в некристаллических веществах, пер. с англ., 2 изд., т. 1-2, М., 1982; Р е г е л ь А. Р., Глазов В. М., Физические свойства электронных расплавов, М., 1980; Полтавцев Ю. Г., Структура полупроводниковых расплавов, М., 1984. Ю. Г. Полтавцев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Полезное

Смотреть что такое "ЖИДКИЕ МЕТАЛЛЫ" в других словарях:

ЖИДКИЕ МЕТАЛЛЫ — расплавы всех металлов и ряда полупроводников (Si, Ge, InSb и др.), обладающие высокими электро и теплопроводностью, отрицательными коэффициентами электропроводности и другими свойствами твердых металлов. Многие жидкие полупроводники (расплавы Te … Большой Энциклопедический словарь

жидкие металлы — расплавы всех металлов и ряда полупроводников (Si, Ge, InSb и др.), обладающие высокими электро и теплопроводностью, отрицательным коэффициентом электропроводности и другими свойствами твёрдых металлов. Многие жидкие полупроводники (расплавы Te … … Энциклопедический словарь

Жидкие металлы — непрозрачные жидкости с характерным блеском, обладающие большой теплопроводностью, электропроводностью и др. особенностями, свойственными твёрдым металлам (См. Металлы). Ж. м. являются все расплавленные металлы и сплавы металлов, а также… … Большая советская энциклопедия

Жидкие металлы — непрозрачные жидкости с характерным блеском, обладающие большой теплопроводностью, электропроводностью и другими особенными свойствами твердых металлов. Жидкими металлами являются все расплавленные металлы и сплавы металлов. Некоторые… … Энциклопедический словарь по металлургии

ЖИДКИЕ МЕТАЛЛЫ — непрозрачные жидкости с характерным блеском, обладающие большой теплопроводностью, электропроводностью и другими особенностями, свойственным твердым металлам. Жидкими металлами являются все расплавленные металлы и сплавы металлов. Некоторые… … Металлургический словарь

МЕТАЛЛЫ — (от греч. metallon, первоначально шахта, руда, копи), простые в ва, обладающие в обычных условиях характерными св вами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэфф. электропроводности, способностью хорошо… … Физическая энциклопедия

Жидкие радиоактивные отходы — Радиоактивные отходы (РАО) отходы, содержащие радиоактивные химические элементы и не имеющие практической ценности. Часто это продукты ядерных процессов, таких как ядерное деление. Большую часть РАО составляют так называемые «малоактивные… … Википедия

Жидкие полупроводники — вещества, обладающие в жидком состоянии свойствами полупроводников (См. Полупроводники). Плавление многих твёрдых полупроводников (Si, Ge и др.) сопровождается резким увеличением электропроводности до значений, типичных для металлов (См.… … Большая советская энциклопедия

ЖИДКОСТЬ — агрегатное состояние в ва, промежуточное между твёрдым и газообразным. Ж. присущи нек рые черты твёрдого тела (сохраняет свой объём, образует поверхность, обладает определ. прочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в к ром находится,… … Физическая энциклопедия

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ — самопроизвольное физико химическое разрушение и превращение полезного металла в бесполезные химические соединения. Большинство компонентов окружающей среды, будь то жидкости или газы, способствуют коррозии металлов; постоянные природные… … Энциклопедия Кольера

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: подводные камни. Взгляд глазами химика

Написать эту статью меня сподвиг пост NotSlow Не так страшен жидкий металл. Там все просто: подстраховался от замыкания, нанес тонким слоем, прикрутил и радуйся низким температурам. Но так ли все хорошо на самом деле?

Для начала нужно выяснить, что это за жидкий металл такой. Среди чистых металлов единственный, который может быть жидким при комнатной температуре — это ртуть. В здравом уме никто сейчас не станет применять ртуть в качестве термоинтерфейса из-за ее крайней токсичности и испаряемости. Два других становятся жидкими уже при температуре человеческого тела — это цезий и галлий. Цезий — это «фтор наоборот» по своей химической активности, он возгорается и взрывается от малейших следов воздуха и влаги и даже разрушает стекло. Остается галлий (на КПДВ именно он). При комнатной температуре галлий все же твердый, однако с некоторыми другими легкоплавкими металлами он образует эвтектики, плавящиеся при 20,5°С (галлий-олово) и даже 15,3 °С (галлий-индий). Еще ниже — в районе 5 °С — плавится тройная эвтектика галлий-индий-олово (62, 25 и 13% соответственно). Имеющиеся в продаже термоинтерфейсы типа «жидкий металл» — это как раз и есть сплавы на основе этих трех элементов, возможно с некоторыми дополнительными присадками.

Исходя из этого, ясны и подводные камни. Первый из них — это абсолютная несовместимость галлийсодержащих сплавов с алюминием!

Во времена, когда уроки химии в школе непременно сопровождались демонстрацией опытов, был среди них и опыт по амальгамированию алюминия. Алюминий покрывали слоем ртути и он тотчас начинал бурно окисляться, рассыпаясь прямо на глазах. Ртуть защищала алюминий от образования оксидного слоя и он образовывался уже на поверхности амальгамы, но не был способен остановить окисление, так как на поверхности жидкости он не удерживался сплошным слоем, растрескивался, и в трещинах открывалась свежая, неокисленная поверхность амальгамы.

Ровно так же действует и галлиевый сплав с той только разницей, что он способен буквально пропитывать алюминий насквозь, проникая в межкристаллитные промежутки. Алюминий, пропитанный жидким галлием, не только окисляется на глазах, но еще и крошится в руках.
Так что ЖМ следует держать от алюминия подальше. И это касается не только алюминиевых радиаторов: случайная капелька «жидкого металла» может уничтожить и корпус ноутбука, если тот из алюминиевого сплава, и любую другую алюминиевую деталь. Хотя бы корпус какого-нибудь конденсатора. Причем капелька эта является классическим катализатором — делает свое черное дело, не расходуясь сама.

Но и медь к галлию небезразлична. На рисунке выше я привел T-x диаграмму системы медь-галлий (из справочника «Диаграммы состояния двойных металлических систем» под ред. Лякишева), на которой видно бесчисленное множество интерметаллических соединений. Как только галлий вступит в контакт с медью, они тут же начинают образовываться. Жидкий галлий (к его сплавам это тоже относится) вообще очень охотно смачивает и металлы, и неметаллы, а явное химическое сродство этому крайне способствует. Так что «жидкий металл» будет просто впитываться в медь, образуя на границе между металлами корку интерметаллидов. Последние не являются металлами с физической точки зрения, они тугоплавки, хрупки и обладают плохой тепло- и электропроводностью, но главное — «жидкий металл» будет расходоваться на их образование и просто уйдет из зазора. Многие из тех, кто пробовал в деле ЖМ, сообщают, что со временем он перестает работать, и сняв радиатор, они обнаружили, что жидкий металл «испарился». Испариться он не мог — заметное давление пара у его компонентов появляется только свыше тысячи градусов — он просто впитался в медь, прореагировал с ней. Устранить это явление помогает никелевое покрытие на меди, хоть оно и является дополнительным препятствием для тепла.

Кстати, впитываемость галлия и его сплавов в металлы еще касается паяных соединений — помните про ту маленькую капельку, которая может разрушить алюминиевый корпус? Так вот, такая же капелька, попавшая на припой, сделает и его хрупкой, а пайку ненадежной. В какой-то момент это «сработает». Поэтому лично я бы держал «жидкий металл» как можно дальше от любой электроники.

И последнее, о чем следовало бы написать: «жидкий металл», увы, небезвреден. Галлий по некоторым данным сравним по токсичности с мышьяком, второй его компонент, индий — также является токсичным тяжелым металлом. В отличие от ртути сплавы на основе галлия все же абсолютно нелетучи при обычной температуре, так что отравиться их парами не получится, однако из-за своей способности легко прилипать ко всему на свете эти сплавы невероятно мазучие. Испачкать ими, к примеру, руки — легче легкого, а отмыть их до конца очень сложно. Потом это все попадет в рот. Поэтому — работаем с «жидким металлом» и всем, что с ним контактировало только в резиновых перчатках и отдельно от еды, питья и курения. И да, никогда не делайте так, как на КПДВ!

Какой металл является жидким при комнатной температуре?

Помимо ртути, жидкими при комнатной температуре могут быть также галлий, цезий и франций. Поскольку все эти жидкости очень плотные (металлы все-таки), кирпичи, лошадиные подковы и пушечные ядра теоретически будут в них плавать.

Галлий (Ga) был открыт в 1875 году французским химиком по имени Лекок де Буабодран. Все, конечно, считали, что название нового элемента навеяно чисто патриотическими соображениями, однако на самом деле слово gallus по-латыни означает и «галл» («француз»), и «петух» – то же, что и «Lecoq» («Лекок»). Галлий стал первым химическим элементом, подтвердившим предсказанную Дмитрием Менделеевым периодическую таблицу. Из-за уникальных электронных характеристик галлий главным образом используют в кремниевых микросхемах. Его также применяют в проигрывателях компакт-дисков, поскольку в смеси с мышьяком галлий трансформирует электрический ток в лазерный луч, который и «считывает» информацию с поверхности диска.

Наиболее заметная область применения цезия (Cs) – атомные часы. Здесь цезий используется для определения атомной секунды. При контакте цезия с водой происходит крайне интенсивный взрыв. Слово «цезий» обозначает «небесно-голубой» – из-за ярко-голубых линий в его спектре. Впервые это явление было отмечено в 1860 году немецким ученым Робертом Бунзеном. Бунзен использовал спектроскоп, который изобрел вместе с Густавом Кирхгофом – человеком, доказавшим, что сигналы по телеграфным проводам проходят со скоростью света.

Франций (Fr) – один из самых редких химических элементов: по подсчетам ученых, на Земле он присутствует в количестве всего тридцати граммов. Это связано с тем, что франций столь радиоактивен, что моментально распадается, превращаясь в другие, более устойчивые элементы. В общем, металл этот жидкий, но ненадолго – максимум на пару секунд. Франций был выделен в 1939 году Маргерит Пере, работавшей в Институте Кюри в Париже. Он был последним элементом из найденных в природе.

Все эти химические элементы становятся жидкими при необычайно низких для металлов температурах, поскольку электроны в их атомах расположены таким образом, что им чрезвычайно трудно приблизиться друг другу и сформировать кристаллическую решетку.

Каждый атом плавает совершенно свободно, не притягиваясь к соседям, – точь-в-точь как и в других жидкостях.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

ГЛАВА 5. «ЛЮДИ ГИБНУТ ЗА МЕТАЛЛ»

ГЛАВА 5. «ЛЮДИ ГИБНУТ ЗА МЕТАЛЛ» Поэма «Фауст» Иоганна Вольфганга фон Гете – произведение не только о продаже души дьяволу, но и, как ни странно, настоящий экономический трактат. В одном из действий, происходящем при дворе средневекового императора, описывается внедрение

Какой из живых организмов является самым крупным?

Какой из живых организмов является самым крупным? Признаюсь, ничто не приводит меня в больший ужас, чем вид грибов на столе, особенно в маленьком провинциальном городке. Александр Дюма Ответ: гриб.Причем даже не какой-то там особенно редкий. На пнях в вашем

Что из этого является китайским изобретением?

Что из этого является китайским изобретением? Стремитесь к знаниям, даже если они идут из Китая. Пророк Магомет а) Стекло.б) Рикша.в) Чоп суи.г) Печенье с предсказанием.Чоп суи. Существует масса фантастических историй об американском происхождении этого блюда,

Какой металл является наилучшим проводником?

Какой металл является наилучшим проводником? Серебро.Самый лучший проводник тепла и электричества является также и самым отражающим из всех химических элементов. Главный недостаток серебра в том, что оно слишком дорогое. Единственная причина, почему в нашем

Какой из химических элементов является самым плотным?

Какой из химических элементов является самым плотным? Либо осмий, либо иридий – в зависимости от того, как мерить.Оба металла чрезвычайно близки друг к другу по плотности и несколько раз менялись местами за последние годы. Третьим по плотности элементом является платина,

Какой город мира является самым крупным?

Какой город мира является самым крупным? а) Мехико.б) Сан-Паулу.в) Мумбай.г) Гонолулу.д) Токио.Гонолулу – хотя вопрос этот слегка с подковыкой.Согласно гавайскому государственному уложению, принятому в 1907 году, город и округ Гонолулу являются единым и неделимым

Что является «забавой королей»?

Что является «забавой королей»? В разные времена фразу применяли к таким развлечениям, как гонки на колесницах, рыцарские турниры, соколиная охота, игра в шары, поло и – в совсем недалеком прошлом – скачки.И все же в течение большей части 2000 лет мировой новой истории

Что из приведенного ниже является ягодой?

Что из приведенного ниже является ягодой? а) Клубника.б) Малина.в) Персик.г) Арбуз.Согласно определению, ягода – это «мягкий, сочный плод, содержащий несколько семян».Строго говоря, клубника, малина и ежевика являются не ягодами, а «сборными костянками»: костянкой

Что из приведенного ниже является орехом?

Что из приведенного ниже является орехом? Если вы, конечно, не против, когда от вас денька два-три несет ореховым маслом, то арахисовое масло – чертовски классный крем для бритья. Барри Голдуотер [114] а) Миндаль.б) Арахис.в) Бразильский орех.г) Грецкий

Глава 176 Закон о возвращении. «Кто является евреем»

Глава 176 Закон о возвращении. «Кто является евреем» Первым законом, принятым Кнесетом после образования Израиля, стал Закон о возвращении, который гарантировал всем евреям право эмигрировать в Израиль и требовать немедленного предоставления им гражданства этой страны.

Почему ртуть жидкая? Потому же, почему заводятся машины!

Если вы подписаны на нашу инсту, вы, наверняка, видели наши периодические тематические дни, когда вы задаете нам любые вопросы по определенному предмету, а мы весь день отвечаем на них.

Недавно, во время химической пятницы, кто-то спросил: «А почему ртуть жидкая?»

Ртуть - единственный жидкий металл при комнатной температуре

Нам очень понравился этот вопрос – действительно, а почему ртуть жидкая? Изначально, админы нашего химического сообщества предположили следующее:

Для начала, нужно понять: а почему другие металлы твердые? Вообще, любые атомы/молекулы предпочли бы газообразное состояние – когда у них максимальное количество степеней свободы (а значит и энтропия максимальна, если вам это о чем-то говорит). Но, есть маленькая проблема – зачастую между частицами действуют межмолекулярные силы притяжения или эти молекулы собираются в какие-нибудь металлические или ионные структуры. В случае металлических решеток – нужны неспаренные электроны. Т.е. и без них можно обойтись, но чем больше неспаренных электронов – тем лучше. Именно поэтому пик по температурам плавления в переходном блоке приходится на элементы посередине этого блока: V, Cr, Mn, Nb, Mo, W. Конечно, есть и другие факторы, которые влияют на температуру плавления – такие как тип кристаллической решетки, но все равно тренд определенно есть.

А ртуть как раз находится в конце d-блока с конфигурацией 4f14 5d10. И тут вы спросите, но ведь цинк и кадмий тоже находятся в конце блока, но они не жидкие металлы. И да, совершенно, верно. Только стоит заметить, что и у цинка, и у кадмия довольно низкие температуры плавления. Чем же особенна ртуть?

Изначально, мы сказали, что наверняка здесь играет роль размер – мол, из-за большого количества электронных слоев эффективный заряд ядра довольно низкий и соответственно энергия образования металлической решетки пониже. Возможно в этом есть правда, но мы совершенно забыли про один очень интересный эффект, связанный с элементами 6-го периода.

Вопрос почему ртуть жидкая очень близок по своей природе к вопросу: почему углерод предпочитает образовывать оксиды +4, а свинец +2?

Итак, возьмитесь покрепче за ручки ваших кресел – ответ лежит в специальной теории относительности. Ртуть жидкая, а ваши машины заводятся благодаря специальной теории относительности.

Обо всем по порядку.

Специальная Теория Относительности

Специальная Теория Относительности (СТО) – это крайне важная, экспериментально подтвержденная, теория, впервые представленная Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Она основывается всего на двух постулатах:

Законы физики одинаковы во всех системах исчисления (frame of reference)
Скорость света одинакова во всех системах исчисления

Тут же возникает вопрос – а что такое система исчисления (правильней добавить, что речь идет только о инерциальных системах исчисления). Инерциальная система исчисления – это набор координатов, которые можно использовать для описания наблюдателя, движущегося с нулевым ускорением (как только появляется ускорение – нужно обращаться к общей теории относительности). Грубо говоря, вы все знаете координатную плоскость – вы используете ее на уроках математики. А теперь в зависимости от того, где в пространстве вы поставите начало координат и будет ли эта точка зависеть от времени (если да, то скорость ее передвижения должна быть постоянной) вы получите разные системы исчисления.

Прелесть СТО в том, что используя простейшие алгебраические вычисления (теорему Пифагора, например), применяя их к далеко неочевидным мысленным экспериментам, можно прийти к выводу, что наблюдатели в разных системах исчисления измеряют разные временные и пространственные интервалы между двумя событиями. Иными словами, движущиеся часы замедляются, а движущиеся линейки становятся короче.

Простые мысленные эксперименты позволяют вывести неочевидные и крайне удивительные следствия из двух постулатов. Картинка Steemit.

Мы не будем вдаваться в вывод математических формул, которые мы используем чуть ниже, а просто скажем, что любой заинтересованный, может пройти сюда – там действительно очень простые, но долгоиграющие вычисления.

Но как специальная теория относительности применима к нашему случаю?

Модель атома

Как ни странно, но у нас до сих пор нет теоретической модели, которая могла бы описывать многоэлектронные атомы. Да, у нас есть уравнение Шредингера (и квантовая механика в целом) – но мы можем решить это уравнение только для водородоподобных атомов (т.е. тех, у кого 1 электрон и у которых не нужно учитывать отталкивание электронов друг от друга). Если мы добавим хоть один электрон – пиши пропало – надо использовать математические приемы (и суперкомпьютеры) для примерной оценки решений этих уравнений.

А для водородоподобных атомов у нас есть еще теория Бора, которая строится на двух тождествах: электрон испытывает Кулоновское притяжение к ядру и центробежную силу (за счет кругового движения), находясь в состоянии покоя (иными совами, эти силы равны). Второе тождество – о квантовании углового импульса, иными словами, угловой импульс (angular momentum) может принимать лишь определенные значения (а именно натуральные множители приведенной постоянной Планка). Так вот, скорость 1s электрона (единственного) в водородоподобном атоме с зарядом ядра Z равна:

Возьмем, к примеру, ртуть (Z = 80). Лоренц-фактор (больше информации о нем - здесь) для частицы с такой скоростью равен 1.23.

Иными словами, масса 1s электрона у ртути на 23% выше, чем масса электрона в состоянии покоя. Увеличенная масса приводит к уменьшенному радиусу орбиты (тоже в 1.23 раза). Иными словами, мы имеем дело с сжатием электронной орбитали при учете релятивистских эффектов (релятивистский эффект – эффект, описываемый теорией относительности). У нас нет теоретической модели, которая позволяла бы также определить степень сжатия электронов на более высших электронных уровнях, но мы уже убеждены в том, что релятивистский эффект есть и он значителен.

А расчеты (и экспериментальная практика) показала, что этот эффект сжатия настолько значителен для 6s электронов (а это внешняя оболочка ртути), что эта самая электронная пара зачастую является инертной (эффект инертной электронной пары). Просто проговорю – электроны двигаются быстро, за счет этого их масса увеличивается, а радиус орбиты уменьшается, они становятся ближе к ядру, а значит сильнее к нему притягиваются и меньше готовы участвовать в образовании химической связи.

Развитие моделей Атома (а также модель Бора в исторической перспективе). Картинка CompoundChem.

Сжатие 6s орбитали имеет феноменально широкие последствия.

Во-первых, это объясняет почему ртуть жидкая. Вычисления показали, что разница в вычислениях температуры плавления ртути при учете и без учета релятивистских эффектов равна 105 градусам! Учитывая то, что температура плавления ртути -38С, эта разница решает между твердым и жидким состоянием. Снова, просто проговорю – электроны на внешней оболочке ртути гораздо сильнее притягиваются к ядру, а поэтому меньше участвуют в межатомных взаимодействиях и соответственно силы межатомных притяжений значительно меньше и удерживают ртуть в жидком, а не твердом состоянии.

Во-вторых, сжатие 6s орбитали объясняет понижение энергии этой орбитали, что приводит к уменьшению разницы в энергии между заполненной 5d орбиталью и полу-заполненной 6s-орбиталью. И что спросите вы? А то, что это объясняет желтый цвет золота! Ибо цвет – это поглощение энергии определенной длины волны при переходе с одной орбитали на другую. А еще это объясняет почему золото считается благородным (малореактивным или почти инертным металлом) – валентные 6s электроны очень сильно притягиваются к ядру.

В-третьих, это объясняет электронную конфигурацию Вольфрама (5d4 6s2). Еще на ранних стадиях изучения химии вы знакомитесь с таким феноменом, как проскок электрона (например, у хрома 3d5 4s1 вместо 3d4 4s2). А с Вольфрамом такое не прокатит из-за повышенной стабильности 6s-электронов.

В-четвертых, это объясняет повышенную нестабильность степени окисления +4 у свинца. Почему это важно? Расчеты показали, что ЭДС (электродвижущая сила) в свинцовом аккумуляторе без учета релятивистских эффектов равна 0.39В, а с учетом 2.13В (при экспериментальном значении в 2.107В). Если вы не знали, в свинцовом аккумуляторе на катоде восстанавливается свинец (+4) до свинца (+2). Иными словами, машины заводятся благодаря СТО.

Если вы хотите почитать больше о эффектах специальной теории относительности в структурной химии – я направляю вас сюда.

Хочешь получать рассылку от нас?

WRO-2019-дағы Қазақстан командасы: Робототехникада нақты нұсқаулық жоқ

Осы жылдың \(10\) қарашасында Қазақстан өзінің Халықаралық Робототехника Олимпиадасына (WRO) қатысу тарихында алғашқы рет жоғары-шығармашылық санатта жүлделі үшінші орынды иеленді. WRO-\(2019\) Венгриядағы Дьор қаласында өтті. Оған дейін Талдықорған қаласының командасы \(2014\) жылы орта-шығармашылық санатта үшінші орынға және \(2016\) жылы жоғары-шығармашылық санатта «Creativity Award» (креативтілік үшін) жүлдесіне ие болған. Талдықорған

V дегеніміз вакцина

Иммунитеттің қызметі неде? Вакциналар қалай жұмыс істейді? Әртүрлі вакциналар арасындағы айырмашылық қандай? Вакциналар сіздің ДНК-ңізді өзгертеді ме?

[Математика ғажабы] Пифагор теоремасы

«Пән ғажабы неде» жобаның барлық мақалалары «Математика ғажабы» циклдың басқа мақалалары Визуалды дәлелдемелер Байес теоремасы Ойлаудың көркемдігі Сымдарды кесеміз Геометриямен жасырынбақ ойнау Шексіздік Математика тек формулалар ғана емес. Математика — бізді қоршайтын барлық нәрселер. Онда теоремалар мен аксиомаларды білу ғана емес, фундаментал қағидаларды түсініп, сезе білу де маңызды. Мұндай фундаментал білім

Если не указано иначе, все текстовые материалы блога ОФ Beyond Curriculum лицензированы под CC BY-NC-SA 4.0

Читайте также: