El galio es un elemento de gran utilidad que ha acompañado el avance de la civilización humana a lo largo del siglo XX. El galio está designado como un elemento tecnológicamente crítico, ya que es esencial para la fabricación de semiconductores y transistores. Notablemente, el nitruro de galio y compuestos relacionados permitieron el descubrimiento del LED azul, que fue la clave final en el desarrollo de un sistema de iluminación LED blanca de larga duración y de bajo consumo. Este descubrimiento ha llevado a la concesión del Premio Nobel de Física 2014. Se estima que hasta el 98% de la demanda de galio proviene de la industria de semiconductores y electrónica.

Además de su uso en electrónica, las propiedades físicas únicas del galio han llevado a su uso en otras áreas. El galio en sí es un metal con un punto de fusión muy bajo y es un líquido justo por encima de la temperatura ambiente (30 ° C). También, El galio es capaz de formar varios sistemas eutécticos (aleaciones que tienen un punto de fusión más bajo que cualquiera de sus constituyentes, incluido el galio) con varios otros metales. Tanto el galio puro como estas aleaciones de metales líquidos a base de galio tienen una alta tensión superficial y se consideran "no esparcibles" en la mayoría de las superficies. Esto los vuelve difíciles de manejar, forma, o proceso, lo que limita su potencial de aplicación en el mundo real. Sin embargo, un descubrimiento reciente puede haber abierto la posibilidad de un uso más amplio del galio en el campo de los materiales funcionales.

Un equipo de investigación del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional (CMCM) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Ulsan, Corea del Sur y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) han inventado un nuevo método para incorporar partículas de relleno en galio líquido para crear compuestos funcionales de metal líquido. La incorporación de rellenos transforma el material de un estado líquido a una forma de pasta o masilla (con consistencia y "tacto" similar al producto comercial "Plastilina") dependiendo de la cantidad de partículas agregadas. En el caso en que se utilizó óxido de grafeno (G-O) como material de relleno, El contenido de G-O de 1.6 ~ 1.8% resultó en una forma pastosa, mientras que el 3,6% fue óptimo para la formación de masilla. Una variedad de nuevos compuestos de galio y el mecanismo de su formación se describen en un artículo reciente publicado en la revista. Avances de la ciencia .

La mezcla de partículas dentro del metal líquido a base de galio altera las propiedades físicas del material, lo que permite un manejo mucho más sencillo. El primer autor, Chunhui Wang, señala:"La capacidad de los compuestos de galio líquido para formar pastas o masillas es extremadamente beneficiosa. Elimina la mayoría de los problemas de manipulación del galio para las aplicaciones. Ya no mancha las superficies, se puede recubrir o "pintar" en casi cualquier superficie, se puede moldear en una variedad de formas. Esto abre una amplia variedad de aplicaciones para el galio nunca antes vistas ". La aplicación potencial de este descubrimiento incluye situaciones en las que se requieren componentes electrónicos suaves y flexibles, como en dispositivos portátiles e implantes médicos. El estudio incluso mostró que el compuesto se puede convertir en un material poroso similar a una espuma con una resistencia al calor extrema. con la capacidad de soportar un soplete durante un minuto sin sufrir ningún daño.

En este estudio, el equipo pudo identificar los factores que permitirían que los rellenos se mezclaran con éxito con el galio líquido. El coautor para correspondencia Benjamin Cunning describió los requisitos previos:"El galio líquido desarrolla una 'piel' de óxido cuando se expone al aire, y esto es crucial para mezclar. Esta piel recubre la partícula de relleno y la estabiliza dentro del galio, pero esta piel es resistente. Aprendimos que se deben usar partículas de un tamaño suficientemente grande, de lo contrario no se producirá la mezcla y no se podrá formar un compuesto ".

Los investigadores utilizaron cuatro materiales como rellenos en su estudio:óxido de grafeno, carburo de silicio, diamante y grafito. Entre estos, dos de ellos en particular mostraron excelentes propiedades cuando se incorporaron en galio líquido:óxido de grafeno reducido (rG-O) para blindaje de interferencia electromagnética (EMI) y partículas de diamante para materiales de interfaz térmica. Una capa de 13 micrones de espesor de compuesto Ga / rG-O sobre una película de óxido de grafeno reducida pudo mejorar la eficiencia de protección de la película de 20 dB a 75 dB, que es suficiente tanto para comercial (> 30 dB) y militar (> 60 dB) aplicaciones. Sin embargo, la propiedad más notable del material compuesto fue su capacidad para proporcionar la propiedad de blindaje EMI a cualquier material común de uso diario. Los investigadores demostraron que una capa similar de 20 micrones de espesor de Ga / rG-O aplicada sobre una simple hoja de papel producía una eficiencia de blindaje de más de 70 dB.

Quizás lo más emocionante fue el rendimiento térmico cuando se incorporaron partículas de diamante al material. El equipo de CMCM midió las conductividades térmicas en colaboración con los investigadores de UNIST, el Dr. Shalik Joshi y el Prof. KIM Gun-ho, y los experimentos de aplicación en el mundo real fueron llevados a cabo por LEE Seunghwan y el Prof. LEE Jaeson. El experimento de conductividad térmica mostró que el compuesto que contenía diamante tenía conductividades térmicas a granel de hasta ~ 110 W m-1 K-1, con partículas de relleno más grandes que producen una mayor conductividad térmica. Esto excedió la conductividad térmica de la pasta térmica disponible comercialmente (79 W m-1 K-1) en más del 50%.

El experimento de aplicación demostró además la eficacia de la mezcla de galio y diamante como material de interfaz térmica (TIM) entre una fuente de calor y un disipador de calor. Curiosamente, el compuesto con partículas de diamante de menor tamaño mostró una capacidad de enfriamiento superior en el mundo real a pesar de tener una conductividad térmica más baja. La razón de esta discrepancia se debe a que las partículas de diamante más grandes son más propensas a sobresalir a través del galio a granel y crear espacios de aire en la interfaz del disipador de calor o la fuente de calor y el TIM. reduciendo su eficacia. (Ruoff señala que existen algunas formas probables de resolver este problema en el futuro).

Finalmente, el grupo incluso ha creado y probado un compuesto hecho de una mezcla de metal galio y masilla de silicona comercial, más conocida como "Silly Putty" (Crayola LLC). Este último tipo de compuesto que contiene galio está formado por un mecanismo completamente diferente, que implica la dispersión de pequeñas gotas de galio por toda la Silly Putty. Si bien no tiene la impresionante capacidad de blindaje EMI del Ga / rG-O mencionado anteriormente (el material requiere 2 mm de recubrimiento para lograr la misma eficiencia de blindaje de 70 dB), se compensa con propiedades mecánicas superiores. Dado que este compuesto utiliza polímero de silicona en lugar de galio metálico como material base, es estirable además de maleable.

Prof. Rod Ruoff, director de CMCM, concibió la idea de mezclar tales cargas de carbón con metales líquidos. Él dice, "Presentamos este trabajo por primera vez en septiembre de 2019, y ha pasado por algunas iteraciones desde entonces. Hemos descubierto que se puede incorporar una amplia variedad de partículas al galio líquido y hemos proporcionado una comprensión fundamental de cómo el tamaño de las partículas juega un papel en la mezcla exitosa. Encontramos que este comportamiento se extiende a las aleaciones de galio que son líquidos a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente, como el indio-galio, estaño-galio, e indio-estaño-galio. Las capacidades de nuestros colaboradores de UNIST han demostrado aplicaciones sobresalientes para estos compuestos, y esperamos que nuestro trabajo inspire a otros a descubrir nuevos rellenos funcionales con aplicaciones interesantes ".