Металл находящийся в жидком состоянии

МЕТАЛЛЫ-ЖИДКОСТИ, МЕТАЛЛ-ГАЗ (!)

Все металлы – вещества твердые, твердые в той или иной степени. Это общее правило. Однако есть исключения.

Некоторые металлы скорее представляют собой жидкости. Крупинки галлия или цезий легко бы расплавились на ладони, потому что температура их плавления немногим менее 30 градусов. Франций, который пока в виде чистого металла не приготовлен, плавился бы уже при комнатной температуре. А вот всем известная ртуть – классический пример жидкого металла. Она замерзает при минус 39 градусах, почему и применяется для изготовления самых разнообразных термометров.

В этом отношении сильным конкурентом ртути оказывается галлий. И вот благодаря каким обстоятельствам. Ртуть закипает сравнительно быстро, примерно при 300 градусах. Значит, измерять высокие температуры с помощью ртутных термометров нельзя. А чтобы галлий превратился в пар, нужна температура 2000 градусов. Ни один металл не может так долго оставаться в жидком состоянии, иметь такую разницу между температурами плавления и кипения. Кроме галлия. Потому-то он настоящая находка для изготовления высокотемпературных термометров.

Металлы-жидкости, металл-газ

Еще один штрих, на сей раз совершенно удивительный. Ученые теоретически доказали: если бы существовал тяжелый аналог ртути (элемент с очень большим порядковым номером, неизвестный на Земле обитатель воображаемого восьмого этажа Большого дома), то его естественное состояние при обычных условиях было бы газообразное. Газ, обладающий химическими свойствами металла! Удастся ли когда-нибудь ученым познакомиться с таким уникумом?

Свинцовую проволоку можно расплавить в пламени спички. Оловянная фольга, брошенная в огонь, моментально превращается в каплю жидкого олова. А вот чтобы превратить в жидкость вольфрам, тантал или рений, приходится поднимать температуру выше 3000 градусов. Эти металлы расплавить труднее, чем все прочие. Вот почему нити накаливания в электрических лампах делают из вольфрама и рения.

Температуры кипения некоторых металлов достигают поистине грандиозных величин. Скажем, гафний закипает при 5400 градусах (!) – это почти температура поверхности Солнца.

Требования к чистым помещениям устройства связи и электроустановочные изделия для чистых.

Мы привыкли к тому, что в нашем мире жидкости — жидкие, а металлы — твердые, и мы даже усвоили одно исключение из этого правила.

Да, речь идет о ртути — единственном метал­ле, пребывающем в жидком состоянии вплоть до температуры -39 °С. Однако мало кому известно о существовании ряда ме­таллов, остающихся жидкими при температурах, очень близких к комнатным.

Всего таких металла четыре: всем известная ртуть, менее известные галлий и цезий и удивительный франций. Все эти ме­таллы при температуре +30 °С находятся в жидкой фазе, однако если ртуть видели мы все, то жидкого франция не видел никто. Каждый из этих металлов обладает интересными свойствами и каждый из них по-своему уникален.

Галлий — легкий металл серебристо-белого цвета с синева­тым оттенком, открыт в далеком 1875 году французским химиком

Полем Эмилем Лекок де Буабодраном. Галлий становится жид­ким уже при температуре +29,8 °С, то есть в жарких странах днем он будет твердым разве только в холодильнике. Металл может плавиться буквально в руках, однако это небезопасно: от контакта с галлием на коже остаются несмываемые пятна и может возникнуть дерматит.

Интересный факт: галлий стал первым элементом, подтвер­дившим периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым в 1871 году. Сам Менделеев, оставивший для галлия место в периодической таблице, назвал его эка-алюминием, однако для официального названия элемента было выбрано латинское на­звание Франции. Сейчас галлий находит самое широкое приме­нение в электронике и многих других областях. Металл крайне востребован, а его добыча затруднена (он извлекается из тех же руд, что и алюминий), что обусловило его высокую цену — около 1500 долларов за килограмм!

Цезий — не менее востребованный и не менее удивительный элемент, чем галлий. Этот металл становится жидким при темпе­ратуре +28,6 °С и тоже может быть расплавлен в руках. Жидкий цезий красив — он похож на жидкое золото, лениво перелива­ющееся при покачивании емкости, в которой он находится.

Цезий, открытый в 1861 году, долго не находил применения, однако в настоящее он крайне востребован во всем мире. При­чем сейчас ощущается настоящий дефицит металла, который не удастся преодолеть, — в земной коре слишком мало цезия, а его извлечение является крайне трудным процессом.

Интересно, что цезий имеет название, никоим образом не связанное с его внешним видом: по латыни caesius означает «небесно-голубой». Но ведь на самом деле металл имеет золоти­стый оттенок! В чем дело? Оказывается, что при спектральном анализе элемент дает о себе знать двумя яркими линиями синего цвета. Ведь лишь в 1882 году металл был получен в чистом виде— целых 20 лет о том, как он выглядит, ничего не знали! Кста­ти, именно цезий как раз и стал первым элементом, открытым с помощью зарождавшейся в середине XIX века спектроскопии.

Наконец, третьего металла, остающегося в жидком состоянии при низких температурах — франция, — не видел никто, даже ученые. Почему же? И откуда известно, что он жидкий? Все дело в крайней редкости франция — одномоментно в земной коре находится не более 340 граммов этого металла! Изучение фран­ция — сложнейшая задача, поэтому сведения об этом элементе накапливались по крупицам на протяжении многих лет.

Здесь не зря было сказано об одномоментном содержании франция на Земле — этот элемент является радиоактивным, да еще и с коротким периодом полураспада, составляющим всего 22,3 минуты (другие изотопы этого вещества распадаются еще быстрее). Это значит, что небольшие объемы франция превра­щаются в другие элементы буквально за часы. В то же время металл образуется при распаде актиния, тем самым в природе поддерживается равновесие образования и распада франция. Поэтому принято говорить не об общем количестве этого метал­ла в природе, а о его равновесном содержании.

Как это ни удивительно, но лаборатории, даже самые лучшие и не обделенные средствами, не могут себе позволить приобрете­ние большого количества франция — исследования проводятся на образцах массой не более одной десятимиллионной доли грамма! Ведь франций не так-то просто добыть, а металл, полу­ченный в чистом виде, каждые 22,3 минуты теряет в массе ровно половину, поэтому на лабораторные опыты над ним остаются в буквальном смысле слова минуты.

Итак, что же мы сейчас знаем о франции? Немного — он очень легкий и плавится при температуре +27 °С. Конечно, изучены и некоторые другие свойства франция, но пока так и неизвестно, как он выглядит.

Так что, кроме ртути, при почти комнатных температу­рах в жидкой фазе находится еще три металла — галлий, це­зий и франций. Однако все они не безвредны для человека, а некоторые изотопы цезия и франций в придачу ко всему еще и радиоактивны, так что плавить в руках эти металлы крайне не рекомендуется.

Сегодня уже поколебалось привычное представление о том, что металл в обычном состоянии – вещество твердое. Долгое время считалось, что единственное исключение из этого утверждения – ртуть, которая в жидком состоянии остается до -39° C. Ответ на вопрос о том, какой металл жидкий, не так однозначен.

Жидкие металлы в природе

На самом деле ртуть не является единственным в мире жидким металлом. Известны еще галлий, цезий и франций, которые находятся в жидком состоянии до +30° C.

Галлий очень широко применяется, например, в электронике. Кроме того, что он плавится при низких температурах, галлий, и это главное его достоинство, закипает при температуре не ниже 2230° C. Необычайно широкий интервал расплава дает возможность использовать этот элемент в работе атомных реакторов.

Не менее востребованным элементом является цезий, несмотря на то что его в земной коре крайне мало и добыча его затруднена.

А вот радиоактивный элемент франций, период полураспада которого составляет чуть больше 22 минут, образуется при распаде актиния, и до сих пор неизвестно, как он выглядит. Даже ученые о нем знают очень мало, и знания эти накапливаются по крупицам. Научные лаборатории проводят исследования этого элемента на образцах массой в одну десятимиллионную долю грамма, которая каждые двадцать две с небольшим минуты уменьшается вдвое.

То есть при температурах, немногим отличающихся от комнатной, жидкими металлами можно назвать четыре элемента периодической таблицы Менделеева, включая ртуть.

Строение металлов

В металлах атомы располагаются в строгом геометрическом порядке и образуют кристаллическую решетку. Их виды в разных металлах и сплавах различаются в зависимости от количества и расположения атомов.

В расплавленных металлах атомы находятся в хаотическом движении, и связи между ними нарушаются.

Обычный расплавленный жидкий металл из мартена – это всего лишь материал с кристаллической решеткой и обычными свойствами твердого тела при нормальной температуре.

При охлаждении жидкого металла начинается процесс кристаллизации, скорость которого возрастает с понижением температуры. Связи между атомами восстанавливаются, и образовывается кристаллическая решетка. Нарушение целостности металла, например, образование ржавчины или трещин, происходит именно на границах между кристаллами. То есть если не существует четких границ между кристаллами, меняются не только механические, но и электрические, и магнитные свойства металла.

Свойства жидких металлов

Ученые утверждают, что аморфные материалы могут быть прочнее кристаллических аналогов в десять раз, а их электрическое сопротивление выше в пять раз. Причем при нормальной температуре они способны сохранять свойства более ста лет, но высокую температуру переносят плохо.

Если жидкий металл из мартена охладить настолько быстро, что связи между атомами и кристаллами не успеют восстановиться, то получится вещество в аморфном состоянии, соединяющее в себе свойства металлов и жидкостей.

Оно обладает поверхностным натяжением и вязкостью жидкостей, а сжимается и отражает электромагнитные волны, как всякий металл. Структура жидких металлов – это хаотическое скопление атомов без жестких связей между ними.

Поскольку отсутствует кристаллическая структура, такие вещества обладают замечательными магнитными свойствами, высокими показателями прочности на растяжение и ударной вязкости.

Жидкий металл прочнее титана более чем в два раза, не ржавеет и может отливаться в форму, даже самую сложную, как любой пластический материал. При этом после отливки дополнительно обрабатывать изделие не нужно – у него четкие очертания и идеально гладкая поверхность.

Жидкие металлы на основе галлия

Сплавы на основе легкоплавких металлов, а их в мировой промышленности используется около тридцати, имеют температуру плавления меньше 70° С. Большинство из них химически активны и токсичны. Сплавы на основе галлия, в которые в разных пропорциях входят индий, олово и цинк, плавятся при низких температурах, меньше 40° С, и не являются ни токсичными, ни химически активными. В промышленности их используется всего восемь, но вариаций может быть значительно больше, в зависимости от процентного соотношения компонентов.

Температура плавления, °С

Эти сплавы жидкими металлами и являются. Они не токсичны, но специалисты рекомендуют при работе с ними соблюдать меры предосторожности и работать в резиновых или хлопчатобумажных перчатках.

Способы получения жидких металлов

Если не говорить о жидких металлах на основе галлия, то в первую очередь ученые искали возможность быстрого охлаждения расплавленного металла. Существует способ распыления металла с помощью устройства, напоминающего пульверизатор, тонким слоем на очень холодную поверхность. Метод носит название "ионно-плазменное распыление". Используется и нанесение жидкого металла на вращающийся диск. В любом случае такими способами можно было получить узкие полоски металла, которые нельзя соединить между собой горячими методами, обычными для кристаллических веществ.

Следующим этапом было создание сплавов из металлов, которые друг с другом сочетаются плохо. Специалисты Калифорнийского технологического института разработали сплав с названием Liquidmetal. В состав жидкого металла входят титан, медь, никель, цирконий и бериллий. При остывании такого сплава кристаллизация происходит очень медленно, так как атомы металлов очень отличаются по размерам.

Применение жидких металлов

Жидкие металлы на основе галлия используются в системах пожарной сигнализации, в качестве теплоносителя в системах охлаждения с высокими рабочими температурами.

В период, когда сплав "жидкий металл" получали в виде узких ленточек, применение ему нашли при создании кодовой маркировки, предназначенной для борьбы с хищениями и использования в покрытии буровых труб для увеличения срока их службы.

Когда был создан Liquidmetal, его начали применять при изготовлении клюшек для гольфа. Расчеты показали, что такая клюшка передает мячу более мощное энергетическое усилие, чем обычная.

Специалисты Liquidmetal Technologies участвуют в разработках ведущих производителей лыж и бейсбольных бит.

В оборонной промышленности Liquidmetal может заменить обедненный уран в снарядах, пробивающих броню.

В России из жидкого металла, полученного из расплава, охлажденного на вращающемся диске, стали изготавливать элементы и микропровода для особо чувствительной и точной аппаратуры, в медицинском приборостроении и электронной технике, фильтры для защиты ценных бумаг и банкнот от подделок и многое другое.

Жидкие металлы в качестве термоинтерфейса

В измерительной технике, радиоэлектронных устройствах и бытовых компьютерах широко используется термоинтерфейс.

Термоинтерфейс – это термопроводящее вещество, которое наносится тонким слоем между поверхностью, которую необходимо охлаждать, и устройством, предназначенным для отвода тепла.

К нему предъявляются высокие требования:

– постоянная консистенция, которая не изменяется при работе или хранении;

– стабильность характеристик в рабочем диапазоне температур;

– нетоксичность и негорючесть;

– легкость нанесения и удаления с поверхности;

– минимальное тепловое сопротивление.

Наиболее распространенным видом термоинтерфейса является теплопроводная паста, или, проще говоря, термопаста. Жидкий металл с высоким коэффициентом теплопроводности и другими свойствами как нельзя лучше соответствует предъявляемым к термопастам требованиям.

В компьютерах на печатных платах процессоров выделяется большое количество тепла. Поверх процессора устанавливается охлаждающий механизм (радиатор). Чтобы повысить эффективность отвода тепла и убрать воздушную прослойку между кулером и процессором, используются термопасты.

Продукты компании Coollaboratory

Компанией Coollaboratory был разработан продукт, полностью состоящий из жидких металлов, без твердых частиц и неметаллических добавок.

Жидкий металл Coollaboratory Liquid Pro – теплопроводящий материал с высокой теплопроводностью, внешне напоминающий ртуть, но нетоксичный, характеризуется высокой способностью к смачиванию многих материалов.

Coollaboratory Liquid Ultra в виде пасты легко наносится кисточкой на теплораспределительную крышку процессора.

Coollaboratory Liquid Metal Pad представляет собой теплопроводящую прокладку, которая легко наносится на поверхность и плавится только при нагреве процессора.

Все эти жидкие металлы не могут работать при контакте с алюминием – радиатор должен быть выполнен из меди с никелевым покрытием. Производитель заявляет об уникальных показателях теплопроводности Coollaboratory Liquid Metal. Правда, на этот жидкий металл отзывы неоднозначны, и многие пользователи выказывают сомнения в заявленных характеристиках.

Применение жидкого металла производителями смартфонов

В настоящее время в американской версии iPhone комплектуется инструментом для извлечения SIM-карты, говоря иначе, i-Скрепкой из жидкого металла.

Но такое уникальное вещество с возможностью принимать при незначительной массе любые формы, антикоррозионными свойствами и особенно высокой прочностью, повышенной износостойкостью, высоким коэффициентом восстановления можно использовать и для изготовления корпусов смартфонов, флешек и часов. В планах Apple – изготовление клавиши Home и сенсорной поверхности из жидкого металла.

Компания HTC тоже планирует использовать LiquidMetal при изготовлении корпусов смартфонов. Но эти данные являются неофициальными.

Зато компания Turing Robotics Industries (TRI) при создании уникального Android-смартфона Turing Phone использует для каркаса корпуса и рамки-окантовки дисплея сверхпрочный сплав из циркония, меди, алюминия, никеля и серебра, который в описаниях компонентов смартфона носит название liquidmorphium. Этот сплав значительно прочнее титана и эффективно выдерживает удары и особым образом отражает свет.

Трехмерная печать с применением жидкого металла

Специалисты Университета Северной Каролины подобрали такой сплав галлия и индия, который держит форму после печати. Тонкая пленка оксида удерживает напечатанную структуру из шариков и нитей, которая внутри остается жидкой. Используя технологию трехмерной печати, можно изготавливать эластичные гибкие провода, выдерживающие многократные растяжения и сжатия.

Ранее австралийские ученые для создания металлических объектов, которые должны восстанавливать форму, использовали сплав галлистан на основе галлия, олова и индия с температурой плавления 19 °С и специальное порошковое покрытие.

Краски "жидкий металл"

Краски с таким названием, строго говоря, жидким металлом не являются.

Жидкий металл – краска из металлических пигментов, тонкоизмельченных порошков цветных металлов и сплавов алюминия, меди, цинка, бронзы. К металлическим пигментам относятся золотистая бронза, медный порошок, алюминиевая и цинковая пудра. Такие краски отличаются хорошим сцеплением с любыми поверхностями: пластиками, металлами, тканями, стеклом, гипсом, керамикой, деревом. Равномерно распыляются соплом от 0,2 мм и закрепляются лаками на водной основе.

Краска "жидкий металл" марки Maimeri ("Маймери") на основе смолы разбавляется спиртом и служит для декорирования тонких поверхностей – бумаги, картона, дерева. Характеризуется дополнительной устойчивостью к износу и окислению.

Жидкий металл Viva ("Вива") разбавляется водой и предназначен для росписи фарфора, фаянса, керамики, гончарных изделий.

Специальная краска была разработана специалистами Mercedes Benz для купе CL 65 AMG на основе тончайших алюминиевых пигментов. Такое покрытие хорошо отражает свет и интенсивно блестит.

В заключение можно сделать вывод, что понятие «жидкий металл из мартена» не является всеобъемлющим. Что еще можно отнести к данной категории материалов? «Жидкий металл» – название такое носят также искусственные сплавы и вещества в аморфном состоянии, обладающие свойствами металлов, в том числе цветом и блеском.