Per alcuni, la semplice menzione del metallo liquido potrebbe evocare visioni di T-1000:il malvagio mutaforma e quasi invincibile che accende il fuoco sul futuro salvatore dell'umanità in "Terminator 2".

Ma per Eric Markvicka e colleghi dell'Università del Nebraska-Lincoln, le goccioline stanno emergendo come protagoniste nella ricerca per dissipare il calore e prevenire il surriscaldamento nella tecnologia indossabile, nella robotica morbida e in altre applicazioni ricche di microelettronica.

"Con l'aumento della potenza di calcolo, la dissipazione termica diventa un fattore sempre più importante", ha affermato Markvicka, assistente professore di ingegneria meccanica e dei materiali.

Non aiuta? Il fatto che molti dispositivi indossabili e altre tecnologie intelligenti incorporino materiali malleabili ed elastici che riducono il peso e aumentano il comfort, ma intrappolano anche il calore. Per affrontare il problema, Markvicka e altri ingegneri hanno provato a caricare i materiali isolanti con goccioline di metallo liquido che conducono naturalmente il calore e possono di conseguenza portarlo via dalla microelettronica che lo genera.

L'approccio ha funzionato, fino a un certo punto. Eppure a quel punto è arrivata una realizzazione che fa riflettere:sebbene le goccioline di metallo liquido migliorino la conduttività termica, la loro densità, e il numero necessario per migliorare davvero tale conduttività, possono anche aggiungere una quantità di peso poco pratica.

Quel tiro alla fune tra conduttività termica e densità aveva lasciato gli ingegneri a un punto morto. Ma in un nuovo studio, il team di Markvicka ha dimostrato che incorporare un materiale in silicone con goccioline a base di gallio e, soprattutto, incorporare quelle goccioline con sfere microscopiche di vetro cavo, può principalmente mantenere la spinta nella dissipazione del calore senza sacrificare la flessibilità leggera del materiale.

"È ancora morbido e gommoso, ma ha una conduttività termica che si avvicina a (quella di) alcuni metalli rigidi, come il titanio o l'acciaio inossidabile, con circa la metà della densità di quei metalli", ha detto Markvicka. "Questa combinazione di proprietà rende il materiale unico e interessante."

Durante la sperimentazione con le microsfere di vetro, i ricercatori hanno testato versioni del silicone le cui goccioline di metallo liquido ospitavano volumi variabili di vetro cavo, dallo 0% al 50%. L'aumento del 50% del volume ha comportato una diminuzione del 35% della densità complessiva del materiale e solo un calo del 14% della conducibilità termica, quest'ultima già partendo da una linea di base più alta rispetto al silicone privo del metallo liquido.

Quel risultato, di per sé, è stato sufficiente per far festeggiare gli ingegneri. Markvicka, il consulente di dottorato Ethan Krings e i loro colleghi non avevano finito, però. Con l'aiuto di un precedente lavoro di modellazione, il team del Nebraska ha quindi sviluppato quella che Markvicka ha descritto come una "mappa di contorno" per guidare la futura sartoria di materiali morbidi che si basano sull'approccio delle bambole russe del team.

Nello sviluppo della mappa, il team ha ufficializzato ciò che i suoi esperimenti stavano rivelando:che un'attenta progettazione può svincolare le proprietà normalmente intrecciate di un polimero, garantendo un controllo impareggiabile sulle prestazioni del materiale.

Un asse della mappa rappresenta il volume delle goccioline di metallo liquido in un materiale; l'altro asse quantifica il volume delle microsfere di vetro nelle goccioline. La sola modifica del volume delle microsfere di vetro, mostra la mappa, può alterare la densità del materiale lasciando quasi completamente invariata la conducibilità termica. La modifica dei rapporti di vetro e metallo liquido, nel frattempo, può modificare la conduttività termica senza influire sulla densità.

"Quindi siamo stati in grado di dimostrare che ora possiamo controllare in modo indipendente la conduttività termica e la densità in questi compositi, cosa mai mostrata prima", ha affermato Markvicka, il cui team ha dettagliato la sua prova di concetto nella rivista Small.

I ricercatori hanno ulteriormente dimostrato tale controllo fabbricando diverse versioni in silicone del Nebraska N dell'università. Ciascuna versione aveva una densità diversa, come dimostra il fatto che la più densa affondava sul fondo di un cilindro pieno di liquido, la meno densa galleggiava al in alto, e una versione moderatamente densa fluttuava tra i due. Nonostante la loro diversa densità, gli N dissipavano il calore più o meno alla stessa velocità quando l'elettricità veniva condotta attraverso un elemento riscaldante impiantato in ciascuno.

Markvicka vede una miriade di modi in cui un materiale morbido ma termicamente conduttivo potrebbe avvantaggiare la tecnologia emergente. Per cominciare, ha affermato, potrebbe aiutare ad alleviare i limiti alla potenza di calcolo della microelettronica che è schiacciata nella tecnologia indossabile, spianando il percorso verso dispositivi più veloci con più funzionalità.

Gli ingegneri della tecnologia digitale su larga scala, inclusi computer e console di gioco, potrebbero anche trovarla utile quando realizzano i cosiddetti materiali di interfaccia che trasportano notevoli quantità di calore, ad esempio, dai processori ai refrigeranti liquidi. La console PlayStation 5, ad esempio, utilizza già metallo liquido proprio per questo scopo.

Oltre a ciò si trovano le ovvie applicazioni negli indumenti termoregolatori, ha affermato Markvicka, che possono monitorare la temperatura della pelle di chi li indossa, quindi fornire o rimuovere il calore di conseguenza.

"Molte delle grandi aziende di utensili hanno queste giacche e attrezzature riscaldate per aiutare i lavoratori a stare al caldo in ambienti freddi", ha affermato. "Questo materiale potrebbe fungere da dissipatore di calore passivo per ottenere un riscaldamento più uniforme in tutta la giacca ed eliminare i punti caldi, senza limitare il movimento di chi lo indossa.

"Qualsiasi cosa con cui il corpo umano interagisca, potrebbero esserci applicazioni per questo materiale". + Esplora ulteriormente

Il tessuto dell'attrezzatura da escursionismo ha un effetto rinfrescante che potrebbe rendere più comodo il tuo prossimo smartwatch