Il gallio è un elemento molto utile che ha accompagnato il progresso della civiltà umana nel corso del XX secolo. Il gallio è designato come elemento tecnologicamente critico, in quanto è essenziale per la fabbricazione di semiconduttori e transistor. In particolare, nitruro di gallio e composti correlati hanno permesso la scoperta del LED blu, che è stata la chiave finale nello sviluppo di un sistema di illuminazione a LED bianchi efficiente dal punto di vista energetico e di lunga durata. Questa scoperta ha portato all'assegnazione del Premio Nobel 2014 per la Fisica. Si stima che fino al 98% della domanda di gallio provenga dall'industria dei semiconduttori e dell'elettronica.

Oltre al suo uso in elettronica, le proprietà fisiche uniche del gallio hanno portato al suo utilizzo in altre aree. Il gallio stesso è un metallo con un punto di fusione molto basso ed è un liquido appena al di sopra della temperatura ambiente (30 ° C). Anche, gallio è in grado di formare diversi sistemi eutettici (leghe che hanno un punto di fusione inferiore a qualsiasi dei suoi costituenti, compreso il gallio) con un certo numero di altri metalli. Sia il gallio puro che queste leghe metalliche liquide a base di gallio hanno un'elevata tensione superficiale e sono considerate "non spalmabili" sulla maggior parte delle superfici. Questo li rende difficili da gestire, forma, o processo, che limita il loro potenziale per l'applicazione nel mondo reale. Però, una recente scoperta potrebbe aver sbloccato la possibilità di un uso più ampio del gallio nel campo dei materiali funzionali.

Un team di ricerca presso il Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) di Ulsan, La Corea del Sud e l'Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan (UNIST) hanno inventato un nuovo metodo per incorporare particelle di riempitivo nel gallio liquido per creare compositi funzionali di metallo liquido. L'incorporazione di cariche trasforma il materiale da uno stato liquido in una forma pastosa o simile a stucco (con consistenza e "tatto" simili al prodotto commerciale "Plasticina") a seconda della quantità di particelle aggiunte. Nel caso in cui l'ossido di grafene (G-O) fosse usato come materiale di riempimento, Il contenuto di G-O dell'1,6~1,8% ha portato a una forma pastosa, mentre il 3,6% era ottimale per la formazione del mastice. Una varietà di nuovi compositi di gallio e il meccanismo della loro formazione sono descritti in un recente articolo pubblicato sulla rivista Progressi scientifici .

La miscelazione di particelle all'interno del metallo liquido a base di gallio altera le proprietà fisiche del materiale, che consente una gestione molto più semplice. Il primo autore Chunhui Wang osserva:"La capacità dei compositi liquidi di gallio di formare paste o mastici è estremamente vantaggiosa. Rimuove la maggior parte dei problemi di manipolazione del gallio per le applicazioni. Non macchia più le superfici, può essere rivestito o "verniciato" su quasi tutte le superfici, può essere modellato in una varietà di forme. Questo apre un'ampia varietà di applicazioni per il gallio mai viste prima." La potenziale applicazione di questa scoperta include situazioni in cui sono richieste elettroniche morbide e flessibili, come nei dispositivi indossabili e negli impianti medici. Lo studio ha anche dimostrato che il composito può essere modellato in un materiale poroso simile alla schiuma con un'estrema resistenza al calore, con la capacità di resistere a una fiamma ossidrica per un minuto senza subire danni.

In questo studio, il team è stato in grado di identificare i fattori che avrebbero consentito ai riempitivi di miscelarsi con successo con il gallio liquido. L'autore corrispondente Benjamin Cunning ha descritto i prerequisiti:"Il gallio liquido sviluppa una "pelle" di ossido quando esposto all'aria, e questo è fondamentale per la miscelazione. Questa pelle riveste la particella di riempitivo e la stabilizza all'interno del gallio, ma questa pelle è resistente. Abbiamo appreso che devono essere utilizzate particelle di dimensioni sufficientemente grandi, altrimenti non può verificarsi la miscelazione e non è possibile formare un composito".

I ricercatori hanno utilizzato quattro materiali come riempitivi nel loro studio:ossido di grafene, carburo di silicio, diamante e grafite. Tra questi, due di essi in particolare hanno mostrato proprietà eccellenti quando incorporati nel gallio liquido:ridotto ossido di grafene (rG-O) per la schermatura delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e particelle di diamante per i materiali di interfaccia termica. Un rivestimento spesso 13 micron di composito Ga/rG-O su un film di ossido di grafene ridotto è stato in grado di migliorare l'efficienza di schermatura del film da 20 dB fino a 75 dB, che è sufficiente sia per il commerciale (> 30 dB) e militare (> 60 dB) applicazioni. Però, la proprietà più notevole del composito era la sua capacità di fornire proprietà di schermatura EMI a qualsiasi materiale comune di tutti i giorni. I ricercatori hanno dimostrato che un simile rivestimento spesso 20 micron di Ga/rG-O applicato su un semplice foglio di carta ha prodotto un'efficienza di schermatura di oltre 70 dB.

Forse la cosa più eccitante è stata la prestazione termica quando le particelle di diamante sono state incorporate nel materiale. Il team CMCM ha misurato le conducibilità termiche in collaborazione con i ricercatori dell'UNIST Dr. Shalik Joshi e il Prof. KIM Gun-ho, e gli esperimenti di applicazione nel mondo reale sono stati condotti da LEE Seunghwan e dal Prof. LEE Jaeson. L'esperimento di conduttività termica ha mostrato che il composito contenente diamante aveva conduttività termiche sfuse fino a ~110 W m-1 K-1, con particelle di riempitivo più grandi che producono una maggiore conduttività termica. Questo ha superato la conduttività termica della pasta termica disponibile in commercio (79 W m-1 K-1) di oltre il 50%.

L'esperimento applicativo ha ulteriormente dimostrato l'efficacia della miscela di gallio-diamante come materiale di interfaccia termica (TIM) tra una fonte di calore e un dissipatore di calore. interessante, il composito con particelle di diamante di dimensioni più piccole ha mostrato una capacità di raffreddamento superiore nel mondo reale nonostante avesse una conduttività termica inferiore. La ragione di questa discrepanza è dovuta al fatto che le particelle di diamante più grandi sono più inclini a sporgere attraverso il gallio sfuso e a creare intercapedini d'aria all'interfaccia del dissipatore di calore o fonte di calore e il TIM, riducendone l'efficacia. (Ruoff nota che ci sono alcuni modi probabili per risolvere questo problema in futuro.)

Infine, il gruppo ha persino creato e testato un composito composto da una miscela di metallo di gallio e mastice di silicone commerciale, meglio conosciuto come "Silly Putty" (Crayola LLC). Quest'ultimo tipo di composito contenente gallio è formato da un meccanismo completamente diverso, che comporta la dispersione di piccole goccioline di gallio in tutto il Silly Putty. Sebbene non abbia l'impressionante capacità di schermatura EMI del suddetto Ga/rG-O (il materiale richiede 2 mm di rivestimento per ottenere la stessa efficienza di schermatura di 70 dB), è compensato con proprietà meccaniche superiori. Poiché questo composito utilizza il polimero siliconico anziché il metallo di gallio come materiale di base, è estensibile oltre ad essere malleabile.

Prof. Rod Ruoff, direttore del CMCM, concepito l'idea di miscelare tali cariche di carbonio con metalli liquidi. Lui dice, "Abbiamo presentato per la prima volta questo lavoro a settembre 2019, e da allora ha subito alcune iterazioni. Abbiamo scoperto che un'ampia varietà di particelle può essere incorporata nel gallio liquido e abbiamo fornito una comprensione fondamentale di come la dimensione delle particelle svolga un ruolo nella riuscita della miscelazione. Abbiamo scoperto che questo comportamento si estende alle leghe di gallio che sono liquidi a temperature inferiori alla temperatura ambiente come indio-gallio, stagno-gallio, e indio-stagno-gallio. Le capacità dei nostri collaboratori dell'UNIST hanno dimostrato applicazioni eccezionali per questi compositi, e speriamo che il nostro lavoro ispiri gli altri a scoprire nuovi riempitivi funzionali con applicazioni entusiasmanti".