Representación de gotas de metal líquido incrustadas en un material de silicona (izquierda) y esferas microscópicas de vidrio hueco encerradas en una gota de ese metal líquido (derecha). Crédito:Scott Schrage | Comunicación Universitaria
Para algunos, la mera mención del metal líquido podría evocar visiones de T-1000:el villano casi invencible que cambia de forma y enciende la presión sobre el futuro salvador de la humanidad en "Terminator 2".
Pero para Eric Markvicka y sus colegas de la Universidad de Nebraska-Lincoln, las gotas de este material están emergiendo como protagonistas en la búsqueda para disipar el calor y evitar el sobrecalentamiento en tecnología portátil, robótica blanda y otras aplicaciones empaquetadas con microelectrónica.
"A medida que aumenta la potencia informática, la disipación térmica se convierte en un factor cada vez más importante", dijo Markvicka, profesor asistente de ingeniería mecánica y de materiales.
¿No ayuda? El hecho de que muchos dispositivos portátiles y otras tecnologías inteligentes estén incorporando materiales maleables y elásticos que reducen el peso y aumentan la comodidad, pero también atrapan el calor. Para solucionar el problema, Markvicka y otros ingenieros han intentado cargar los materiales aislantes con gotas de metal líquido que conducen el calor de forma natural y, en consecuencia, pueden alejarlo de la microelectrónica que lo genera.
El enfoque ha funcionado, hasta cierto punto. Sin embargo, en ese momento se dio cuenta de algo aleccionador:aunque las gotas de metal líquido mejoran la conductividad térmica, su densidad, y el número necesario para mejorar realmente esa conductividad, también pueden agregar una cantidad de peso poco práctica.
Ese tira y afloja entre la conductividad térmica y la densidad había dejado a los ingenieros paralizados. Pero en un nuevo estudio, el equipo de Markvicka ha demostrado que incrustar un material de silicona con gotas a base de galio y, lo que es más importante, incrustar esas gotas con esferas microscópicas de vidrio hueco, en su mayoría puede retener el impulso en la disipación de calor sin sacrificar la flexibilidad liviana del material.
El profesor asistente Eric Markvicka (izquierda) y el estudiante de doctorado Ethan Frings en Nebraska Hall. Crédito:Craig Chandler | Comunicación Universitaria
"Sigue siendo suave y gomoso, pero tiene una conductividad térmica que se acerca (a la de) algunos metales rígidos, como el titanio o el acero inoxidable, con aproximadamente la mitad de la densidad de esos metales", dijo Markvicka. "Esta combinación de propiedades hace que el material sea único e interesante".
Mientras experimentaban con las microesferas de vidrio, los investigadores probaron versiones de la silicona cuyas gotas de metal líquido albergaban volúmenes variables del vidrio hueco, desde 0% hasta 50%. El aumento del 50 % en el volumen condujo a una disminución del 35 % en la densidad general del material y solo una caída del 14 % en la conductividad térmica, la última de las cuales ya partía de una línea de base más alta que en la silicona que carece del metal líquido.
Ese logro, en sí mismo, fue suficiente para que los ingenieros celebraran. Sin embargo, Markvicka, el asesor de doctorado Ethan Krings y sus colegas no habían terminado. Con la ayuda del trabajo de modelado previo, el equipo de Nebraska desarrolló lo que Markvicka describió como un "mapa de contorno" para guiar la futura confección de materiales blandos que se basan en el enfoque de muñecas rusas anidadas del equipo.
Al desarrollar el mapa, el equipo estaba formalizando lo que revelaban sus experimentos:que la ingeniería cuidadosa puede desentrañar las propiedades normalmente entrelazadas de un polímero, otorgando un control inigualable sobre el rendimiento del material.
Un eje del mapa representa el volumen de gotas de metal líquido en un material; el otro eje cuantifica el volumen de microesferas de vidrio en las gotas. La modificación del volumen de las microesferas de vidrio solo, mostró el mapa, puede alterar la densidad del material mientras deja la conductividad térmica casi sin cambios. Mientras tanto, la modificación de las proporciones de vidrio y metal líquido puede cambiar la conductividad térmica sin afectar la densidad.
"Así que pudimos demostrar que ahora podemos controlar de forma independiente la conductividad térmica y la densidad en estos compuestos, algo que nunca antes se había demostrado", dijo Markvicka, cuyo equipo detalló su prueba de concepto en la revista Small.
Líneas que indican los volúmenes proporcionales de metal líquido y vidrio que mantendrán una conductividad térmica constante (negro) y una densidad constante (blanco) en materiales compuestos blandos. Crédito:Pequeño / John Wiley &Sons
Los investigadores demostraron además ese control al fabricar varias versiones de silicona del Nebraska N de la universidad. Cada versión tenía una densidad diferente, como lo demuestra el hecho de que la más densa se hundía hasta el fondo de un cilindro lleno de líquido, la menos densa flotaba en el arriba, y una versión moderadamente densa flotaba entre los dos. A pesar de sus densidades variables, el calor disipado de los N aproximadamente a la misma velocidad cuando la electricidad se conducía a través de un elemento calefactor implantado en cada uno.
Markvicka ve innumerables formas en que un material suave pero térmicamente conductor podría beneficiar a la tecnología emergente. Para empezar, dijo, podría ayudar a aliviar las limitaciones en el poder de cómputo de la microelectrónica que se incluye en la tecnología portátil, allanando el camino hacia dispositivos más rápidos con más funcionalidad.
Los ingenieros de tecnología digital a gran escala, incluidas las computadoras y las consolas de juegos, también pueden encontrarlo útil al crear los llamados materiales de interfaz que transportan cantidades sustanciales de calor desde, por ejemplo, los procesadores hasta los refrigerantes líquidos. La consola PlayStation 5, por ejemplo, ya usa metal líquido para ese mismo propósito.
Más allá de eso, se encuentran las aplicaciones obvias en las prendas termorreguladoras, dijo Markvicka, que pueden monitorear la temperatura de la piel del usuario y luego suministrar o eliminar el calor en consecuencia.
"Muchas de las grandes empresas de herramientas tienen estas chaquetas y equipo con calefacción para ayudar a los trabajadores a mantenerse calientes en ambientes fríos", dijo. "Este material podría funcionar como un disipador de calor pasivo para lograr un calentamiento más uniforme en toda la chaqueta y eliminar los puntos calientes, sin restringir el movimiento del usuario.
"Cualquier cosa con la que el cuerpo humano interactúe, podría haber aplicaciones para este material". La tela de equipo de senderismo tiene un efecto refrescante que puede hacer que su próximo reloj inteligente sea más cómodo
